DE3024016C2 - Wärmekraftmaschinenanordnung mit einem in einem geschlossenen Kreislauf geführten verdampfbaren Kältemittel als Wärmeträgerfluid - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschinenanordnung mit einem in einem geschlossenen Kreislauf geführten verdampfbaren Kältemittel als Wärmeträgerfluid, bei der in dem Kreislauf in Reihe ein der Luft- und/oder Sonnenwärme aussettvarer Verdampfer, eine von dem verdampften Käksmittel antreibbare Kraftmaschine, ein Kondensator und e'> e den Verdampfer speisende Kondensatpumpe angeordnet sind.

Eine Wärmekraftmaschinenanordnung dieser Art ist aus den DE-OS 28 42 236 oder 28 46 323 bekannt. Hierbei wird eine niedrig siedende Flüssigkeit in Sonnenkollektoren erhitzt Der dabei entstehende Druck wird über eine Kraftmaschine, z. B. eine entspannungsturbine oder Kaltgasturbine auf einen den Umgebungsbedingungen entsprechenden Druck durch Kondensation des Kältemittels in einem entsprechenden Kondensator abgesenkt. Die kondensierte Flüssigkeit wird mit Hilfe einer Speisepumpe wieder in den Sonnenkollektor gefördert. Zur weiteren Absenkung der Kondensationstemperatur kann dabei eine Wärmepumpe in den Kreislauf des Kältemittels eingeschaltet werden.

Gemäß einem sehr alten Vorschlag ist nur eine Wärmekraftmaschinenanordnung zur Ausnutzung des Wärmegefälles zwischen der Erdoberfläche und Punkten tiefer im Erdinneren vorgesehen. Eine im Kreislauf geführte Flüssigkeit wird dabei im Erdinneren verdampft und der Dampf unmittelbar zum Betrieb von Kraftmaschinen verwendet, während der Abdampf der Kraftmaschine in einer Wärmeaustauschvorrichtung auf oder nahe der Erdoberfläche niedergeschlagen und als Flüssigkeit wieder in das Erdinnere zur erneuten Verdampfung züfückgeleitet wird. Eine solche Anordnung setzt die Möglichkeit eines Zugangs zu tiefen Schichten im Erdinneren voraus, wie sie beispielsweise beim Bergbau vorliegen.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung eine Wärmekraftmaschinenanordnung der eingangs näher bezeichneten Art so weiterzubilden, daß bei einfachem Aufbau und geringem Bedarf an Zusatzenergie ein Einsatz besonders in solchen Bereichen und Gegenden möglich wird, in denen eine ausreichende Energieversorgung normalerweise nicht gewährleistet ist
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Kondensator einen mit dem Erdreich in einer vorbestimmten Tiefe unter der Erdoberfläche in direktem Wärmetausch stehenden Kondensatorabschnitt aufweist und der Verdampfer in einer Aufheizkammer einer der Luftwänne und/oder der Sonneneinstrahlung direkt ausgesetzten Haube angeordnet sind.

Bei dieser Wärmekraftmaschinenanordnung erfolgt die Aufnahme der Wärme aus der Luft und/oder der Sonneneinstrahlung auf besonders einfache Weise, nämlich durch den bekannten Treibhauseffekt, bei dem in einer die Wärmestrahlung einlassenden Haube ein größerer Raum als Heizkammer vorgesehen ist, in dem alle der Wärmeeinwirkung auszusetzenden Teile untergebracht werden können. Diese Haube dient gleichzeitig dazu, die wesentlichen Teile der Anordnung vor der Einwirkung der Außenatmosphäre zu schützen. Eine solche Anordnung mit Treibhauseffekt läßt sich leicht und auf einfache Weise überall, d. h. insbesondere auch in entlegenen Gebieten mit geringen Kosten, aufstellen.

Spezielle oder komplizierte Sonnenkollektoren oder dgl. bedarf es dazu nicht

Der Kondensator weist einen direkt und im Abstand unter der Erdoberfläche in das Erdreich eingebetteten Kondensatorabschnitt auf, der in direktem Wärmeaustausch mit dem Erdreich steht. Hier wird das umgekehrte Gefälle als bei der bekannten Anordnung, die das Wärmegefälle in der Erde ausnutzt, verwendet, nämlich die Tatsache, daß in warmen oder der Sonneneinstrahlung stark ausgesetzten Gegenden die Erdtemperatur von Punkten an der Erdoberfläche aus zunächst relativ rasch auf Werte in wenigen Metern Tiefe abnimmt, die unabhängig von den Lufttemperaturen und der Sonneneinstrahlung relativ konstant bleiben. Erst in größeren Erdtiefen nimmt dann die Temperatur wieder fortlaufend zu. *uch die Anordnung des Kondensators läßt sich somit leicht und mit einfachen Mitteln und geringen Kosten auch in entlegenen Gebieten verwirklichen.

Somit besteht die gesamte Wärmekraftmaschinenan-Ordnung aus Elementen, die als solche keinerlei künstlicher Energiezufuhr bedürfen mit der einzigen Ausnahme der Energie zum Antrieb einer Umwälzpumpe mit deren Hilfe das verdampfbare Kältemittel in dem Kreislauf in Umlauf gehalten wird. Diese aufzuwendende Energie kann leicht von der in dem Kreislauf mit Hilfe der Kraftmaschine gewonnenen Energie abgezweigt werden, da sie nur einen Bruchteil der mit der Wärmekraftmaschinenanordnung zu gewinnenden Energie bildet.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der neuen Wärmekraftmaschinenanordnung liegt darin, daß sie praktisch kaum einer Wartung bedarf und über lange Betriebszeiten zuverlässig arbeitet und mit geringen Kosten selbst in entlegenen Gebieten eingesetzt werden kann und daher ganz besonders für die Installation in Entwicklungsländern geeignet ist.

Vorteiihafterweise ist dem Verdampfer ein in der Aufheizkammer angeordneter Kondensat-Speicherund Vorwärmbehälter vor- und dem Kondensatorabschnitt ein im Erdreich eingebetteter Kondensat-Sammelbehälter nachgeschaltet. Hierdurch wird ein kontinuierlicher Betrieb auch bei Schwankungen des Energiebedarfs und bei Schwankungen des Verhältnis-

ses zwischen der Temperatur in der Heizkammer und der Temperatur im Erdreich ermöglicht. Der Betrieb wird außerdem noch rationeller, da gleichzeitig ein genügender Vorrat an Kältemittel gespeichert werden kann und außerdem in dem Vorwärmspeicher eine ausreichende Menge an Kältemittel mit einer vorbestimmten höheren Temperatur für die Verdampfung zur Verfügung gehalten werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erlämert Es zeigt:

In der einzigen Figur ist die Wärmekraftmaschinenanordnung gemäß der Erfindung schematisch wiedergegeben. Mit 1 ist in der Darstellung die Erdoberfläche bezeichnet Oberirdisch ist ein Verdampfer 3 der Wärmekraftmaschinenanordnung vorgesehen, während ein Kondensator 4 im Abstand unter der Erdoberfläche vorgesehen ist, z. B. in einer Tiefe von bis zu 6 Metern.

Zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator ist die Kraftmaschine 2 angeordnet Diese kann eine Kolbenmaschine sein, ist aber bevorzugt eine Dampfturbine. Ober Leitungen 8 bzw. 12 steht die Kraftmaschine 2 mit dem Verdampfer 3 bzw. dem Kondensator 4 in Verbindung.

Der Verdampfer 3 weist im dargestellten Beispiel einen langgestreckten Kondensat-Speicher- und Vorwärmbehälter 6 auf. Als Wärmeträgerfluid dient ein in einem geschlossenen Kreislauf geführtes verdampfbares Kältemittel, z. B. das unter der Bezeichnung »R 11« bekannte Kältemittel. An dem Kondensat-Speicher- und Vorwärmbehälter 6 ist ein Verdampferabsohnitt 5 in Form einer Rohrschlange oder eines Flächenverdampfers vorgesehen. Der Verdampferabschnitt 5 ist ebenso wie der Behälter 6 in einer Aufheizkammer 20 angeordnet. Diese wird durch eine Haube 9 begrenzt, die die Wärme- insbesondere auch die Sonnenstrahlen 10 durchläßt. Durch diesen Effekt wird die in der Aufheizkammer 20 eingeschlossene Luft auf einer gegenüber der Temperatur der Außenluft wesentlich höheren Temperatur aufgeheizt Diese erhöhte Temperatur wird zum Verdampfen des Kältemittels in den Verdampferabschnitt 5 ausgenutzt Gleichzeitig wird über die auf erhöhte Temperatur aufgeheizte Luft in der Aufheizkammer 20 das Kondensat in dem Kondensat-Speicher- und Vorwärmbehälter 6 auf eine höhere Temperatur aufgewärmt.

Der Treibmitteldampf des verdampfbaren Kältemittels wird von dem Verdampferabschnitt 5 aus der Kraftmaschine 2 zugeleitet Der Abdampf der Kraftmaschine gelangt zu einem Kondensatorabschnitt 11, der im ausreichenden Abstand von der Erdoberfläche 1 in der Erde angeordnet ist Unter der Einwirkung der gegenüber der Erdoberfläche tieferen Temperatur in diesem Erdbereich wird der Abdampf in dem Kondensatorabschnitt 11 kondensiert Das Kondensat kann über eine Kondensatpumpe 14 direkt dem Behälter 6 wieder zugeführt werden. Im dargestellten Beispiel ist jedoch ein Kondensat-Sammelbehälter 13 im Erdreich eingebettet, der dem Kondensatorabschnitt 11 nachgeordnet ist Das Kondensat läuft aus dem Kondensatorabschnitt 11 in den Kondensat-Sammelbehälter 13 und wird aus diesem mit Hilfe der Kondensatpumpe 14 über die Leitung 15 abgesaugt und über die Leitung 16 dem Kondensat-Speicher und Vorwärmbehälter 6 in der Aufheizkammer 20 zugeleitet

Der Kondensator im Erdreich kanu auch so angeordnet werden, daß der in direktem Wärmekontakt mit dem Erdboden stehende Kondensatorabschnitt 11 den langgestreckten Kondensat-Saiamelbehälter 13 schraubenförmig oder flächenmäßig umgibt Da die Wärmeleitfähigkeit der Erde relativ gering ist kann sich aufgrund dieser Anordnung das den Kondensatc-abschnitt 11 und den Sammelbehälter 13 umgebende Erdreich auf eine etwas höhere Temperatur als die Durchschnittstemperatur des Erdbodens in dieser Tiefe erwärmen. Diese erhöhte Temperatur hält sich über längere Zeit auch wenn die Wärmezufuhr nachläßt oder unterbrochen wird. Man kann diese in das Erdreich eingespeicherte Wärme auch wieder zurückgewinnen, indem man dem Kondensator den wärmeaufnehmenden Teil einer Wärmepumpe in bekannter Weise zuordnet Dadurch wird diese Wärme auf nutzbare höhere Temperaturen gebracht. Die dabei gewonnene Wärme kann einer Zusatzheizung für den Verdampferabschnitt 5 zugeführt werden um Schwankungen in der Wärmezufuhr von außen auszugleichen.

Das oben angeführte Kältemittel verdampft bereits bei einer Temperatur wenig oberhalb von 20⁰C. In wenigen Metern Tiefe weist die Erde auch in heißen Erdgegenden Temperaturen auf, die weitgehend unabhängig von den Außenverhältnissen sind und deutlich unterhalb der Kondensationstemperatur des betreffenden Kältemittels liegen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1 Patentansprüche:

1. Wärmekraftmaschinenanordnung mit einem in einem geschlossenen Kreislauf geführten verdampfbaren Kältemittel als Wärmeträgerfluid, bei der in dem Kreislauf in Reihe ein der Luft- und/oder Sonnenwärme aussetzbarer Verdampfer, eine von dem verdampften Kältemittel antreibbare Kraftmaschine, ein Kondensator und eine den Verdampfer speisende Kondensatpumpe angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator einen mit dem Erdreich in einer vorbestimmten Tiefe unter der Erdoberfläche in direktem Wärmetausch stehenden Kondensatorabschnitt (11) aufweist und der Verdampfer (5) in einer Aufheizkammer (20) einer der Luftwärme und/oder der Sonneneinstrahlung direkt ausgesetzten Haube (9) angeordnet sind.

2. Wärmekraftmaschinenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verdampfer (5) ein in der Aufheizkammer (20) angeordncier Kondensat-Speicher- und Vorwärmbehälter (6) vor- und dem Kondensatorabschnitt (11) ein im Erdreich eingebetteter Kondensat-Sammelbehälter (13) nachgeschaltet sind.