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"Wärmekraftmaschinen-Anordnung'i
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Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmschinen-Anordnung mit einem
in einem geschlossenen Kreislauf geführten, verdampfbareri Kältemittel als Wärmeträgerfluid,
einem Fluid-Verdampfer, einer von diesem gespeisten Wärmekraftmaschine und einem
Fluidkondensator, der mit dem Fluidverdampfer über eine Kondensat pumpe verbunden
ist.
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Es ist bekannt, in Wärmekraftmaschinen-Anordnungen, denen zum Aufheizen
und Verdampfen des Wärmeträgerfluids eine Wärme pumpe zugeordnet ist, als Wärmeträgerfluid
ein Kältemittel, z.B.
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Frigen, zuzuordnen. Es können aber auch andere Kältemittel herangezogen
werden (vergl. OE-PS 318 979). Bei dieser bekannten Anordnung wird dem Wärmeträgerfluid
die erforderliche Wärme über eine Wärmepumpe zugeführt, welche die zum Aufheizen
und Verdampfen des Wärmeträgers erforderliche Wärme einer natürlichen Wärmequelle,
wie Flußwasser oder Luft bzw. Erdreich, entzieht, wobei das über die Wärmepumpe
abgekühlte Fluß-L wasser dem Kondensator der Anordnung zugeführt wird, um den
Turbinenabdampf
wieder zu kondensieren. Als Wärmekraftmaschine dient hier eine Turbine. Ausgehend
von einer Flußwassertempera tur von 20 0C wird das Flußwasser durch die Wärmepumpe
auf 100C gekühlt. Das mit der gleichen Temperatur aus dem Kondensator austretende
flüssige Frigen wird in einem Vorwärmer durch das Flußwasser auf 20°C vorgewärmt
und gelangt dann in den Verdampfer, in dem das Frigen durch die wärmeabgebende Seite
der Wärmepumpe auf 400C erhitzt wird. Diese bekannte Anordnung ist relativ aufwendig
und bedarf eines erheblichen Energieaufwandes, um mit Hilfe der Wärmepumpe Wärme
aus einer natürlichen Wärmequelle auf die für die Verdampfung des Kältemittels erforderliche
Temperatur zu erhitzen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung eine Wärmekraftmaschinen-Anordnung der
genannten Art so weiterzubilden, daß ein Betrieb der Anordnung mit wesentlich geringerem
Energieeinsatz und bei wesentlich einfacherem Aufbau ermöglicht wird.
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kl'es Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Fluidverdampfer einen durch
die Luftwärme und/oder die Sonneneinstrahlung aufheizbaren Verdampferabschnitt und
der Kondensator einen mit dem Erdboden in Wärmetausch angeordneten Kondensatorabschnitt
aufweisen. Hierbei wird eines der für den in Frage kommenden Temperaturbereich geeignetes
Kältemittel, z.B. das unter dem Namen I?R 11" bekannte Kältemittel eingesetzt, das
bereits im Bereich wenig oberhalb von 200C verdampft. Die zum Verdampfen erforderliche
Wärme wird der Luft bzw. der natürlichen Wärmeeinstrahlung, der die Luft ausgesetzt
ist, entnommen. Es bedarf
auch keiner besonderen Maßnahmen und Hilfsmittel,
insb. keines Energieeinsatzes, um eine ausreichende Kühlung des Abdampfes im Kondensator
zu ermöglichen. Vielmehr wird hierzu die Restwärme im Kondensat in das Erdreich
abgeleitet. Dies hat den wesentlichen Vorteil, daß die Erde in wenigen Metern Tiefe
eine von den Außenverhältnissen weitgehend unabhängige relativ niedrige Temperatur
aufweist, die deutlich unterhalb der Kondensierungstemperatur der betreffenden Kältemittel
liegt. Es bedarf daher bei entsprechend geeigneten Außenverhältnissen praktisch
keines nennenswerten Energieeinsatzes zum Betrieb der Anlage, abgesehen etwa von
den Förderpumpen z.B. für das Kondensat. Mit der neuen Kraftmaschinen-.Anordnung
kann somit das natürliche Temperaturgefälle zwischen Lufttemperatur bzw.
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Sonneneinstrahlungstemperatur und der Temperatur des Erdbodens zur
direkten Energie- oder Kraftgewinnung ausgenutzt werden.
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Die Anordnung eignet sich daher besonders für den Einsatz in Fällen,
in denen praktisch keine oder nur eine geringe Fremdenergie zur Verfügung steht,
die Luftwärme oder Einstrahlungswärme jedoch eine zuverlässige Wärmequelle darstellt.
Die Anordnung läßt sich sehr einfach und rasch installieren. Dabei ist es besonders
vorteilhaft, wenn der der Luftwärme und/oder Sonneneinstrahlung ausgesetzte Verdampferabschnitt
in einer durch eine Haube oder dergleichen nach außen abgedeckten Aufheizkammer
angeordnet ist. Hierbei kann der bekannte Glashauseffekt ausgenutzt werden, um die
Luft- oder Einstahlungswärme bei optimalen Temperaturen einzusetzen. Gleichzeitig
wird dadurch der Einsatz der Wärmekraftmaschinen-Anordnung auch unter weniger günstigen
Außenverhältnissen und/oder mit noch besserem Wirkungsgrad möglich.
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Es ist zweckmäßig, das Kondensat zunächst in einen Vorwärmer zu pumpen,
der ebenfalls in der Aufheizkammer unter der Haube oder dergleichen angeordnet ist
und der mit der Wärmekraftmaschine, die bevorzugt eine Turbine ist, aber auch eine
Kolbenmaschine sein kann, über eine Verdampferschlange oder einen anderen, das Wärmeträgerfluid
in dünner Schicht auseinanderziehenden Verdampferabschnitt verbunden ist.
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Die an den Erdboden abgegebene Wärme des Abdampf'es der Wärmekraftmaschine
kann in dem umliegenden Erdreich für begrenzte Zeit gespeichert werden, da bekanntlich
die meisten Erdbodenformationen dann, wenn sie nicht direkt im Grundwasser liegen,
ein relativ hohes Wärmeisolationsvermögen zeigen. Dieser Umstand kann vorteilhafterweise
ausgenutzt werden, um in Zeitperioden geringer Luftwärme und/oder Sonneneinstrahlung
die in den Erdboden eingespeicherte Wärme über den im Erdboden angeordneten Kondensatorabschnitt
dem Erdboden wieder zu entziehen und über eine wahlweise an den Kondensatorabschnitt
anschließbare Wärmepumpe auf ein höheres, wieder verwendbares Temperaturniveau anzuheben.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen an
einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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In der einzigen Figur ist schematisch eine Wärmekraftmaschinen-Anordnung
nach der Erfindung dargestellt.
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Mit 1 ist in der Darstellung die Erdbodenoberfläche bezeichnet.
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Oberirdisch ist der Verdampfer 3 der Anordnung vorgesehen, während
der Kondensator 4 unter der Erdoberfläche in ausreichender Bodentiefe von bis 6
Meter vorgesehen ist.
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Zwischen Verdampfer und Kondensator ist die Wärmekraftmaschine 2 angedeutet,
die eine Kolbenmaschine, bevorzugt aber eine Dampfturbine ist. über Leitungen 8
bzw. 12 steht die Wärmekraftmaschine mit dem Verdampfer 3 bzw. dem Kondensator 4
in Verbindung.
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Der Verdampfer 3 kann einen langgestreckten Behälter 6 als Vorwärmer
für das Wärmeträgerfluid aufweisen. Als Wärmeträgerfluid ist ein Kältemittel, z.B.
das unter der Bezeichnung "R 11" bekannte Kältemittel, vorgesehen. Das Kältemittel
ist in der Anordnung in einem in sich geschlossenen Kreislauf geführt. An den Vorwärmebehälter
6 ist ein Verdampferabschnitt 5, z.B. in Form einer Rohrschlange oder eines Flächenverdampfers
vorgesehen.
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Der Verdampferabschnitt 5, vorzugsweise aber auch der Vorwärmer 6
sind in einer Aufheizkammer 20 angeordnet. Diese wird durch eine Haube oder dgl.
wärme-, insb. sonnenstrahlendurchlässigen domförmigen Gehäuse 9 begrenzt. Durch
diese Haube wird der bekannte Glashauseffekt ausgenutzt, wie er in Gewächshäusern
oder dgl. zu beobachten ist und der es gestattet, die in der Aufheizkammer 20 eingeschlossene
Luft auf einer gegenüber der Temperatur der Außenluft wesentlich höheren Temperatur
zu halten.
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Diese Temperatur wird zum Verdampfen des Kältemittels in dem Verdampferabschnitt
5 ausgenutzt. Gleichzeitig wird diese er-
Gleichzeitig wird diese
erhöhte Temperatur innerhalb der Aufheizkammer 20 dazu verwendet, um das Kondensat
in dem Vorwärmbehälter 6 auf höhere Temperatur aufzuwärmen.
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Der Treibmitteldampf wird von dem Verdampferabschnitt 5 der Wärmekraftmaschine
2 zugeleitet. Der Abdampf der Wärmekraftmaschine wird über einen Kondensatorabschnitt
11, der im ausreichenden Abstand von der Erdoberfläche 1 in der Erde angeordnet
ist, zugeführt, so daß der Abdampf unter der Einwirkung der Erdtemperatur in dem
Kondensatorabschnitt 11 zum Kondensieren gebracht wird. Das Kondensat kann über
eine Kondensatpumpe 14 direkt dem Vorwärmbehälter 6 zugeleitet werden. Es kann in
einigen Fällen auch zweckmäßig sein das Kondensat einem Sammelbehälter 13 zuzuführen
aus dem die Kondensatpumpe 14 über Leitung 15 das Kondensat absaugt und über Leitung
16 dem Vorwärmbehälter 6 zuführt. Die Kondensatoranordnung im Erdreich kann auch
so betroffen werden, daß der als Schlange 11 ausgebildete Kondensatorabschnitt,
der in direktem Wärmekontakt mit dem Erdboden steht, den als langgestreckten Behälter
ausgebildeten Kondensatorbehälter 13 schraubenförmig oder flächenmäßig umgibt, so
daß der Behälter 13 in einem Erdbodenbereich zu liegen kommt, der insgesamt aufgrund
der durch den Kondensatorabschnitt 11 an das Erdreich abgegebenen Wärme sich auf
einer etwas höheren Temperatur als der Durchschnittstemperatur des Erdbodens in
der betreffenden Tiefe entspricht. Da bekanntlich der Erdboden ein nicht sehr guter
Wärmeleiter ist, nimmt der Erdboden durch die aus dem Kondensatorabschnitt 11 aufenommene
Wärme ohnehin eine höhere Temperatur ein, die er über längere Zeit zu halten vermag,
auch wenn die Wärmezufuhr nachläßt oder
unterbrochen wird. Dies
hat den Vorteil, daß man die so in das Erdreich eingespeicherte Wärme über einen
begrenzten Zeitraum der Erde wieder entziehen kann. Dies wird auf einfache Weise
dadurch möglich, daß man den Kondensatorabschnitt 11 bedarfsweise als wärmeaufnehmenden
Teil einer Wärmepumpe (nicht dargestellt) schaltet, welche dem Wärmeträgerfluid
die in das Erdreich eingespeicherte Wärme wieder über einen begrenzten Zeitraum
entzieht und diese Wärme bei entsprechend höherer Temperatur wieder nutzbar macht.
Diese dem Erdreich wieder entzogene Wärme kann beispielsweise für eine Zusatzheizung
(nicht dargestellt) nutzbar gemacht werden, die dem Verdampferabschnitt 5 zugeordnet
ist und für eine Einhaltung der gewünschten Verdampfertemperatur Sorge trägt, auch
wenn über die Luft und/oder die Einstrahlung Wärme von nicht ausreichender Temperatur
zur Verfügung steht.
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