DE3313226C1

DE3313226C1 - Verfahren zur Umsetzung von Wärmeenergie in mechanische Energie

Info

Publication number: DE3313226C1
Application number: DE19833313226
Authority: DE
Inventors: Gisbert 7901 Berghülen Noppeney; Norbert 7900 Ulm Scheibel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-04-13
Filing date: 1983-04-13
Publication date: 1985-02-14

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Ein ähnliches Verfahren kann der Fachmann aus der DE-OS 31 50 900 entnehmen. Da gemäß der ausgewählten Beispiele die Abwärme mittels Kühlung abgeführt wird, ist nur ein relativ niedriger thermischer Wirkungsgrad zu erreichen.

Es liegt die Aufgabe vor, ein Arbeitsmittel und ein Salz und dessen erforderliche Eigenschaften für das obige Verfahren anzugeben, mit dem ein hoher thermischer Wirkungsgrad zu erzielen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der vorstehend genannten Art dadurch gelöst, daß als Flüssigkeit Methylalkohol und als Salz Salizylsäure verwendet wird.

Der durch das erfindungsgemäße Verfahren erzielte Vorteil besteht darin, daß die Kondensationswärme des

Abdampfes durch den Lösungsvorgang des Salzes als Lösungsenergie gespeichert wird, wobei die gleiche Wärmeenergie bei der hohen Temperatur und dem hohen Druck während des Kristallisationsvorganges wieder frei wird, so daß jegliche Kühlung entfällt. Erfindungsgemäß ist dieses Verfahren besonders geeignet zur Ausnutzung von Abwärmen.

Eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens ist anhand der Zeichnungen 1, 2 und 3 im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen die Zeichnungen in

F i g. 1 die schematische Darstellung einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
F i g. 2 den Wärmeenergiekreislauf gemäß der Anlage F i g. 1,

F i g. 3 ein Diagramm der Sättigungskurve der Lösung in Abhängigkeit der Temperatur.
Gemäß F i g. 1 sind die Kessel 1 und 2 gleich aufgebaut. Jeder der beiden Kessel enthält eine Heizschlange 31 bzw. 32. Die Zuführungsseite des Wärmeträgers ist über das Absperrventil 54, von dem je eine Verbindungsleitung 43 und 44 abzweigt, mit dem Eingang beider Heizschlangen verbunden. Jede der beiden Verbindungsleitungen können mit den Absperrventilen 41 und 42 wechselseitig gesperrt werden. Außerdem sind die beiden Heizschlangen eingangsseitig über die zusätzlichen Zweigleitungen 47 und 48, die in die Pumpe 50 münden, miteinander gekoppelt. Die Rückführungsseite des Wärmeträgers ist über das Absperrventil 53, von dem je eine Verbindungsleitung 45 und 46 abzweigt, mit dem Ausgang beider Heizschlangen verbunden. In eine Kolbenmaschine 3 mündet auf der Hochdruckseite eine Leitung 16, welche über die Verbindungsleitungen 23 und 24 mit dem jeweiligen Ausgang beider Kessel verbunden ist. Diese Verbindungsleitungen können über die Absperrventile 21 und 22 wechselseitig gesperrt werden. An den Ausgang der Kolbenmaschine ist eine Leitung 15 angeschlossen, welche über die Verbindungsleitungen 13 und 14 und über die beiden wechselseitig sperrbaren Ventile 11 und 12 mit dem jeweiligen Eingang beider Kessel verbunden ist. -—

Für den intermittierenden Betrieb der Anlage sind beide Kessel mit dem entsprechenden Salz gefüllt, wobei sich in einem Kessel zusätzlich die Flüssigkeit befindet, welche zusammen mit dem Salz eine Lösung bildet. Nachstehend werden bei diesem Ausführungsbeispiel die drei erforderlichen Betriebszustände dargestellt.

Die Stellung der Ventile, die mittels einer automatischen Steuerung geschaltet werden können, geben den jeweiligen Betriebszustand der Anlage an.

1. Aufheizen der Lösung

In diesem Betriebszustand wird die Lösung auf die Temperatur T% aufgeheizt, wobei im Heizkreislauf, je nachdem, in welchem Kessel sich die Lösung befindet, nur das Ventil 41 oder das Ventil 42 geschlossen ist. Bis zum Erreichen des vollen Druckes sind im Dampfkreislauf alle Ventile geschlossen.

2. Arbeitsleistender Betrieb

Bei der Erwärmung des mit der Lösung enthaltenen Kessels auf die Temperatur T2 wird das Lösungsmittel verdampft, wobei der Druck steigt. Ist der hohe Druck erreicht, werden je nach beheiztem Kessel, entweder die Ventile 21 und 12 in den Verbindungsleitungen 23 und 14 oder die Ventile 22 und 11 in den Verbindungsleitungen 24 und 13 geöffnet. Der Dampf wird dabei zur Kolbenmaschine geführt, während der Abdampf zu dem nur mit Salz gefüllten Kessel geleitet wird. Der Abdampf löst das Salz, wobei sich die Temperatur Γι einstellt.

3. Wärmeaustausch

Für eine möglichst optimale Wärmeausnutzung wird ein Wärmeaustausch zwischen den Kesseln vorgenommen. Dazu werden im Heizkreislauf alle Ventile geschlossen und die Pumpe 50 in Betrieb genommen. Der im Heizkreislauf befindliche Wärmeträger wird über die Leitungen 45 bis 48 durch beide Heizschlangen gepumpt Im Dampfkreislauf sind während dieser Betriebsart alle Ventile geschlossen.

Zu Beginn soll bei diesem Ausführungsbeispiel in Kessel 1 das Salz und in Kessel 2 die Lösung sein, wobei die Betriebszustände 1 bis 3 nacheinander durchlaufen werden. Außerdem soll als Salz Salizylsäure und als Arbeitsmittel Methylalkohol verwendet werden. Der nach dem Aufheizen gebildete Dampf wird im Kessel 2 mit einem Druck von 2 ata und einer Temperatur von 135° C über das Ventil 22 zur Kolbenmaschine geleitet und dort auf einen Druck von 0,8 ata und einer Temperatur von 80° C entspannt. Der Abdampf wird über das Ventil 15 zum Kessel 1 geführt. Der Dampf kondensiert und löst das Salz, wobei sich die Temperatur im Kessel 1 auf 81° C einstellt, da bei dieser Temperatur die Kondensationsenergie des Methylalkohols gleich der endothermen Lösungsenergie der Salizylsäure ist. Nachdem im Kessel 1 der Alkohol verdampft und die Salizylsäure auskristallisiert ist, wird nach dem Betriebszustand 3 ein Wärmeaustausch vorgenommen. Im folgenden Takt wird nun der Kessel 1 beheizt, wobei sich nach dem Durchlaufen der Betriebszustände 1 bis 3 im Kessel 2 die Lösung bildet.

Die Darstellung des Wärmekreislaufes in F i g. 2 enthält die Kessel 1 oder 2, wobei zum Kessel 1 die Heizwärme 60 und die Lösungsenergie 61 der Salzlösung vom Kessel 2 zugeführt wird. Abgeführt von Kessel 1 wird die zur Kolbenmaschine 3 geleitete Dampfwärme 64 und eine Restwärme 63, welche vom Wärmeträger wieder aufgenommen wird. Die Kolbenmaschine 3 steht die zugeführte Dampfwärme 64 des Dampfes mit der Temperatur T₂ in die mechanische Arbeit 65 um, während die Dampfwärme 66 des entspannten Abdampfes mit der Temperatur 71 dem Kessel 2 zugeführt wird. Vom Kessel 1 zum Kessel 2 wird während des Wärmeaustausches die Wärmemenge 62 geleitet.

Die Sättigungskurve in F i g. 3 zeigt den Zusammenhang zwischen der Temperatur und der maximal lösbaren Menge Salizylsäure in 100 g Methylalkohol. Die Kurve wurde experimentell ermittelt und kann daher von der tatsächlichen Kurve abweichen. Der Punkt 0 bedeutet, daß bei dieser Temperatur die endotherme Lösungsenergie der Salizylsäure bei der sich einstellenden Sättigungskonzentration gleich der Kondensationsenergie des Alkohols ist. Ebenfalls aus Fig. 3 ist die Dampfdruckerhöhung des Methylalkohols zu entnehmen. Zum Beispiel beträgt der Siedepunkt des reinen Alkohols bei 1 ata 64,5° C. Dieser Siedepunkt wird bei der gesättigten Lösung, gekennzeichnet in F i g. 3 durch die Verbindungslinie 6, auf 92° C erhöht. Dementsprechend wird bei der Temperatur 71 der Siedepunkt gemäß der Verbindungslinie 5 von 58,5° C auf 81° C und bei der Temperatur T₂ und einem Druck von 2 ata gemäß der Verbindungslinie 7 der Siedepunkt von 84,5° C auf 135° C erhöht.

Für den Betrieb dieser Anlage ergeben sich damit die folgenden zwei Varianten:

1. Das Verhältnis des Methylalkohols zur Salizylsäure ist gemäß dem Punkt 0 1 :1,23. Damit würde in der Aufheizphase nach Erreichen des Dampfdruckes von 2 ata die Temperatur des Dampfes weit unter 135° C liegen und dann während des Betriebes je nach erreichtem Sättigungsgrad bis auf 135° C ansteigen.

2. Das Verhältnis ist gemäß dem oberen Temperaturpunkt 1 :2,76. Dabei würde in der Aufheizphase der Druck von 2 ata erst bei der Temperatur von 135° C erreicht, dementsprechend bleibt während des Betriebes die Temperatur des Dampfes konstant

Der Vorteil der Variante 1 liegt gegenüber der Variante 2 in der geringen Menge des zu verwendenden Salzes. Ein gewisser Nachteil der Variante 1 ist die nicht konstante Temperatur des der Kolbenmaschine zugeführten Dampfes. Es entstehen hierbei zusätzliche Verluste in der Kolbenmaschine. Diesen Nachteil weist die Variante 2 nicht auf.

Gemäß dieser Variante 2 und dem unter F i g. 1 aufgeführten Beispiel und unter Verwendung von Methylalkohol und Salizylsäure wird folgend eine prinzipielle Berechnung des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt.

A) Rückzuführende Wärmeenergien bei 7Ί mit Wärmeaustausch

1. Kondensationsenergie des Methylalkohols (Abdampf) . 26,1kcal

2. Verdrängungsarbeit durch Kolbenrückführung + 1,9 kcal

3. Innere Energiedifferenz des Salzes zwischen 71 und !^(Wärmeaustausch) +12,0 kcal
Rückführungswärme von 71 nach T₂ 40,0 kcal

B) Gesamte aufgenommene Wärmeenergie der Lösung

1. Lösungsenergie bei T₁ des Salzes 26,1 kcal

2. Lösungsenergie bei T₂ des Salzes + 30,6 kcal

3. Enthalpiezunahme des Alkohols bei Erwärmung auf T₂ + 3,8 kcal Aufgenommene Wärmeenergie 60,5 kcal

C) Verdampfungsvorgang bei T₂

1. Gesamte Kristallisationsenergie des Salzes —44,7 kcal

2. Verdampfungsenergie des Methylalkohols + 26,8 kcal Abzuführende Restwärme bei T₂ — 17,9 kcal

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D) Umgesetzte Wärmeenergie in mechanische Arbeit

1. Diff.A)—B) = Extern zugeführte Heizwärme 20,5 kcal

2. C) = Abzuführende Restwärme " —17,9 kcal Umgesetzte Wärmeenergie 2,6 kcal

Da die wieder frei werdende Restwärme im Gegensatz zu den auf der rein physikalischen Basis arbeitenden Wärmekraftmaschinen am oberen Temperaturpunkt abzuführen ist, kann diese Wärmeenergie nicht als Verlust gerechnet werden. Bildet man die Differenz zwischen der zugeführten und wieder abgeführten Wärmeenergie, so entspricht die Differenz genau der in mechanische Arbeit umgesetzten Wärmemenge.

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Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Umsetzung von Wärmeenergie in mechanische Energie unter Anwendung des Prinzips der Dampfmaschine, wobei dem die Wärmeenergie in mechanische Energie umsetzenden Teil der Dampfmaschi-

5' ne der benötigte Dampf intermittierend aus zwei jeweils die gleiche Menge eines bei seinem Lösen Wärmeenergie aufnehmenden Salzes enthaltenden Kesseln derart, zugeführt wird, daß in einem Arbeitszyklus ... --zunächst dem ersten Kessel eine Flüssigkeit sowie diese Flüssigkeit verdampfende Wärme zugeführt wird, während gleichzeitig die von der Maschine abgegebene Abdampfwärme dem zweiten, zunächst nur das Salz enthaltenden Kessel zugeführt wird, und wobei anschließend in einem zweiten Arbeitszyklus dem zweiten

ο Kessel zur Verdampfung der durch den eingeströmten Abdampf gebildeten Salzlösung weitere Wärmeenergie zugeführt wird, während gleichzeitig der von der Maschine abgegebene Abdampf nun dem ersten Kessel zugeführt wird, wobei sich diese beiden Arbeitszyklen kontinuierlich wiederholen, gekennzeichnet dadurch, daß als Flüssigkeit Methylalkohol und als Salz Salizylsäure verwendet wird.