DE3619547A1

DE3619547A1 - Verfahren und einrichtung zur erzeugung einer kraft aus einer temperaturdifferenz zweier medien

Info

Publication number: DE3619547A1
Application number: DE19863619547
Authority: DE
Inventors: Peter Koch
Original assignee: KRALL ERIKA
Current assignee: KRALL ERIKA
Priority date: 1984-12-13
Filing date: 1986-06-11
Publication date: 1987-12-17

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Kraft aus einer Temperaturdifferenz zwischen zwei Medien nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Einrich tung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7.

In der Patentanmeldung P 34 45 785.2 sind ein Verfahren und eine Einrichtung zur Erzeugung einer Kraft aus der Temperaturdifferenz zweier Wärmespeichermedien beschrieben, bei denen in einem Kreisprozeß ein Kältemittel vorhanden ist, das in einem Verdampfer unter Arbeitsdruck durch Wärmeener gieaufnahme von einem Wärmeenergie-Abgabemedium verdampft, der erzeugte Dampf einer Druckmindereinrichtung, insbe sondere einem in umgekehrter Richtung angetriebenen Dreh schieberverdichter zugeführt wird, die unmittelbar ein Drehmoment, z. B. zum Antrieb eines Generators, abgibt, wobei gleichzeitig eine Temperaturerniedrigung des Kälte mittels erfolgt, und bei denen das entspannte Kältemittel zur Verflüssigung im Wärmeaustausch mit dem Wärmeaufnahme medium gebracht wird und dann über eine Pumpe auf den Ausgangsdruck im Verdampfer erhöht wird.

Der Wirkungsgrad einer derartigen Einrichtung bzw. eines derartigen Verfahrens ist jedoch systemimmanent begrenzt. Die Praxis hat weiter gezeigt, daß der Betrieb der Ein richtung mit einem Kältemittel zu Problemen der Abdich tung an den Lamellen des Drehschieberverdichters führen kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Ver besserung des Verfahrens und der Einrichtung nach der in der P 34 45 785.2 beschriebenen Art anzugeben, mit der ein störungsfreier Lauf des Drehschieberverdichters, ein erhöhter Wirkungsgrad sowie eine verbesserte Anpassung an unterschiedliche Betriebszustände erreichbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 2 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

Durch die Hinzufügung eines im gesamten Kreislauf flüssig bleibenden Lösungsmittels zum Arbeitsmittel lassen sich einer seits der Wirkungsgrad der Einrichtung erhöhen und anderer seits die Laufeigenschaften des Drehschieberverdichters verbessern. Das Lösungsmittei dient im Drehschieberver dichter gleichzeitig als Schmiermittel, wodurch die Gleit eigenschaften der Lamellen verbessert, der Verschleiß ver ringert und die Abdichtung verbessert wird. Das Lösungs mittel kann gleichzeitig als Vorerwärmungsmittel für das dem Verdampfer zugeführte Arbeitsmittel verwendet werden.

In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird ein Teil des Lösungsmittels zur Erwärmung des den Drehschieber verdichter verlassenden Arbeitsmittels verwendet, um den Wirkungsgrad des nachfolgenden Kondensators, bzw. Flüssig keitssammlers zu erhöhen, und damit den gesamten Wirkungs grad der Einrichtung.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungs beispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine grundsätzliche Anordnung zur Darstellung des Prinzips der gattungsmäßigen Einrichtung,

Fig. 2 eine vereinfachte Darstellung des Prinzips der Erfindung,

Fig. 3 eine verbesserte Darstellung der Einrichtung nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine grundsätzliche Darstellung der Ein richtung. Es ist ein Wärmetauscher 1 vorhanden, der als Verdampfer ausgebildet ist und in dem das Kältemittel als Arbeitsmittel in Wärmeaustausch mit einem Energie abgabemedium gebracht ist. Dieses Energieabgabemedium kann z. B. industrielle Abwärme, Motorenabwärme, Sonnen kollektorwärme oder eine andere Wärmequelle erhöhter Tempe ratur sein. Das in diesem Wärmetauscher 1 verdampfte Kälte mittel wird einem Drehschiebermotor 5 zugeführt, der als Drehschieberverdichter ausgeführt ist, jedoch in umgekehrter Richtung verwendet wird. Damit wird das unter hohem Druck zugeführte Arbeitsmittel unter Abgabe eines Drehmomentes in Temperatur und Druck erniedrigt. Das den Drehschieberver dichter 5 verlassende Kältemittel wird dann einem Kon densator 13 zugeführt, in dem das Kältemittel weiter ab kühlt und die Restwärme abgibt. Das Wärmeaufnahmemedium kann z. B. Grundwasser oder ein anderes Energieaufnahmeme dium sein. In dem Kondensator 13 wird das Kältemittel ver flüssigt und kann anschließend im flüssigen Zustand von einer Pumpe 12 wieder auf erhöhten Druck gebracht werden, so daß es im nachfolgenden Verdampfer 1 erneut verdampfen kann. Zwischen der Pumpe 12 und Verdampfer 1 liegt ein Wärmetauscher 14, der in Wärmeaustausch mit dem Kälte mittel steht, das vom Drehschiebermotor 5 zum Kondensator 13 fließt. Damit wird einerseits das Kältemittel, das zum Verdampfer geführt wird, vorerwärmt und andererseits das vom Expansionsmotor abgeführte Kältemittel vorgekühlt.

Fig. 2 zeigt eine Einrichtung nach der Erfindung. Durch Einbringung eines Lösungsmittels in den Kältemittel-Kreis lauf läßt sich der Wirkungsgrad des in Fig. 1 beschriebenen Systems wesentlich verbessern. Das Lösungsmittel kann z.B. ein normales Kältemaschinenöl sein, das im Kältemittel kreislauf ständig flüssig bleibt. Zwischen Verdampfer 1 und Drehschiebermotor 5 ist ein Ölabscheider 11 angeord net, in dem das Lösungsmittel von dem dampfförmigen Ar beitsmittel, das als Kältemittel, z. B. Freon 502, einge setzt ist, abgetrennt wird. Das Lösungsmittel wird dann im Gegenstrom über einen Wärmeaustauscher 2, in dem es in Wärmeaustausch mit dem dem Verdampfer 1 zugeführten Ge misch steht, einem weiteren Wärmetauscher 3 zugeführt, in dem es durch Austausch mit einem Wärmeaufnahmemedium, z.B. Grundwasser abgekühlt wird. Das Lösungsmittel wird dann weiter über ein Entspannungsventil 4 an eine Zwischen stufe des Drehschiebermotors 5 geleitet. Durch diese Ab kühlung des Lösungsmittels wird dieses relativ kalt in den Drehschiebermotor 5 eingeführt, so daß hierdurch auch das Arbeitsmittel erheblich abgekühlt wird und das dann den Drehschiebermotor 5 verlassende Gemisch bereits eine relativ niedrige Temperatur aufweist. Eine weitere Abkühlung des Gemisches erfolgt über einen Wärmeaustau scher 14, bevor das Kältemittel/Lösungsmittel-Gemisch dem Kondensator bzw. Flüssigkeitssammler 13 zugeführt wird, in dem es in Wärmeaustausch mit dem Wärmeenergie aufnahmemedium, z. B. dem Grundwasser steht.

Die den Kondensator 13 verlassende Flüssigkeit wird zur Druckerhöhung über die Pumpe 12 über die Austauscher 14 und 2 zum Verdampfer 1 geleitet.

Fig. 3 zeigt eine verbesserte Darstellung von Fig. 2, die verschiedene Betriebszustände berücksichtigt. Zwischen dem Wärmeaustauscher 3 und dem Expansionsventil 4 ist ein Abzweig vorgesehen, mit dem Lösungsmittel entweder direkt über das Magnetventil 15 oder über das Magnet ventil 16 und einem Zwischenaustauscher 7 zu Einspritz düsen an einem Flüssigkeitssammler 6 geführt wird.

Der Tauscher 7 dient zum Vorkühlen des den Drehschieber motor 5 verlassenden Kältemittel/Lösungsmittel-Gemisches, bevor dies dem Kondensator 13 zugeführt wird. Durch Ein spritzen des Lösungsmittels in den Sammler 6 kann das Lösungsmittel bis zu 80% Kältemitteldampf binden.

Kondensator 13 und Sammler 6 werden vertauscht, wenn das in den Sammler 6 eingespritzte Lösungsmittel wärmer als das den Drehschiebermotor 5 verlassende Kältemittel ist. Dadurch, daß über das Expansionsventil 4 Lösungsmittel in den Drehschiebermotor 5 zusätzlich eingeführt wird, läßt sich eine weitere Abkühlung und damit ein höherer Naßdampf anteil an dem Expansionsmotor erreichen.

Bisher wurde angenommen, daß ein Lösungsmittel verwendet ist, das im Kreisprozeß nicht verdampft. Es sind jedoch auch Lösungsmittel verwendbar, die in dem Kreisprozeß mit verdampfen, die jedoch einen höheren Siedepunkt auf weisen als das eingesetzte Kältemittel. Bei der Ver flüssigung des Lösungsmittels bindet dieses einen erheb lichen Teil des Kältemitteldampfes.

Je stärker der Expansionsmotor belastet wird, desto höher wird der Pumpendruck und damit der Druck im Verdampfer 1. Bei hohem Druck und hoher zugeführter Wärmeenergie über steigt das Lösungsmittel/Arbeitsmittel-Gemisch den kri tischen Punkt. Das Kältemittel und damit auch das Lö sungsmittel bleiben daher in diesem Betriebszustand im Ver dampfer praktisch flüssig. Statt einer Dampfbildung dehnt sich nun die Flüssigkeit aus und nimmt bei weiter zugeführ ter Wärmeenergie ein erhöhtes Volumen ein. In dieser überkriti schen Phase erfolgt keine Abscheidung des Lösungsmittels im Ölabscheider 11. Wenn der Entspannungsmotor stark belastet wird, erhöht sich der Pumpendruck bei konstant zuge führter Heiztemperatur. Der niedrigere Entnahmedruck der Pumpe 12 in Verbindung mit einem in Überlast betriebenen Expansionsmotor führt dazu, daß das Kälte/ Lösungsmittel innerhalb des Expansionsmotors und im Kondensator Wärme aufnimmt. Damit die Pumpe 12 weiterhin mit Flüssigkeit und nicht mit Dampf arbeiten muß, ist es in diesem Betriebszustand unbedingt erforder lich, daß ein Lösungsmittel vorhanden ist, das einen großen Teil des Kältemittels bindet und evtl. zusätzlich hinter dem Kondensator abschaltbar ein Nachverdichter 8, ein Wärme tauscher 9, der mit dem Grundwasser in Verbindung steht, sowie ein Expansionsventil 10 vorhanden sind. Die Anwesenheit des Lösungsmittels ermöglicht es daher, daß die Ein richtung auch im überkritischen Bereich sowie mit über lastetem Expansionsmotor 5 betrieben werden kann.

Bei einem vollständig mit flüssigem Kälte/Lösungs mittel gefüllten Kreislauf wird eine Dampfbildung völlig vermieden. Das flüssige Kältemittel gibt im Wärme tauscher 13 noch Wärme ab. Diese Wärmeenergie ist je doch wesentlich kleiner, als sie bei üblichen Systemen abgegeben wird.

Die Erfindung ermöglicht die Ausnutzung der Temperatur differenz zwischen einem Wärmeaufnahme- und einem Wärme abgabemedium zur Erzeugung eines Drehmomentes an einem Drehschiebermotor, an den ohne weiteres ein Generator zur Erzeugung elektrischen Stroms angeschlossen werden kann. Wegen des Betriebs bei niedrigen Temperaturen können auch Prozeßwärmeenergien, deren Temperatur nur wenig über der Temperatur eines Wärmeaufnahmemediums, z.B. dem Grundwasser, liegt, zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet werden.

Bezugszeichenliste 1 Wärmetauscher
2 Wärmetauscher
3 Wärmetauscher
4 Expansionsventil
5 Drehschiebermotor
6 Flüssigkeitssammler
7 Wärmetauscher
8 Verdichter
9 Wärmetauscher
10 Expansionsventil
11 Ölabscheider
12 Pumpe
13 Wärmetauscher
14 Wärmetauscher
15 Magnetventil
16 Magnetventil

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung einer Kraft aus einer Tempe raturdifferenz zwischen einem Wärmeabgabe- und einem Wärmeaufnahmemedium nach Patentanmeldung P 34 45 785.2, dadurch gekennzeichnet, daß im Kreislauf neben dem Kältemittel ein Lösungsmittel vorhanden ist, daß das Lösungsmittel hinter dem Verdampfer (1)geschie den und der abgeschiedene Teil vor dem Verdampfer (1) in Wärmeaustausch über einen ersten Wärmetauscher (2) mit dem dem Verdampfer (1) zugeführten Kältemittel/Lö sungsmittel-Gemisch und über einen mit dem Wärmeauf nahmemedium in Verbindung stehenden zweiten Wärme tauscher (3) gebracht wird und dann über ein Entspannungs ventil (4) einer Zwischenstufe der Druckminderein richtung (5) zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das den zweiten Wärmetauscher (3) verlassende Lösungsmittel wenigstens zum Teil in den Verflüssiger (6) eingespritzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das den zweiten Wärmetauscher (3) verlassende Lösungsmittel wenigstens zum Teil in Gegenstromrich tung über einen dritten Wärmetauscher (7), der mit dem die Druckmindereinrichtung (5) verlassenden Kälte/Lö sungsmittelgemisch in Wärmeaustausch steht, geleitet wird und in den Verflüssiger (6) eingespritzt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das den Verflüssiger (13) verlassende Gemisch einem nachgeschalteten Verdichter (8), einem vierten Wärmetauscher (9) und einem Ex pansionsventil (10) zugeführt wird, wobei der Wärme tauscher (9) mit dem Wärmeaufnahmemedium in Ver bindung steht.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (8) vierter Wärmetauscher (9) und Expansionsventil (10) eine abschaltbare Umgehungs leitung aufweisen.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungsmittel/Kältemittel-Gemisch im über kritischen Zustand des Kältemittels betrieben wird.

7. Einrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1 gemäß Patentanmeldung P 34 45 785.2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreislauf ein Kältemittel/Lösungsmittel-Gemisch aufweist, daß dem Verdampfer (1) ein Lösungsmittelabscheider (11) nachgeschaltet ist, daß das abgeschiedene Lösungs mittel über einen dem Verdampfer vorgeschalteten ersten Wärmetauscher (2) und einen zweiten mit dem Wärmeaufnahmemedium in Verbindung stehenden zweiten Wärmetauscher (3) geführt wird und daß das Lösungs mittel dann über ein Entspannungsventil (4) einer Zwischenstufe des Druckminderers (5) zugeleitet wird.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß von der Verbindungsleitung zwischen zweitem Wärmetauscher (3) und Expansionsventil (4) ein Abzweig zu einem dritten mit dem die Druckminder einrichtung (5) verlassenden Kältemittel/Lösungs mittel-Gemisch in Verbindung stehenden Wärmetauscher (7) führt, und daß das den Wärmetauscher (7) ver lassende Lösungsmittel in den Verflüssiger (6) eingespritzt wird.

9. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß von der Verbindungsleitung zwischen dem zweiten Wärmetauscher (3) und dem Expansionsventil (4) ein Abzweig zum Verflüssiger (6) führt.

10. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Verflüssiger (6) und Druckerhöhungs einrichtung (12) ein Verdichter, ein mit dem Wärme aufnahmemedium in Verbindung stehender vierter Wärme tauscher (9) und ein nachgeschaltetes Expansions ventil (10) eingeschaltet sind.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (8), der vierte Wärmetauscher (9) und das Expansionsventil (10) überbrückbar sind.

12. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungsmittel ein Kältemaschinenöl ist.

13. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmindereinrichtung ein in umgekehrter Richtung betriebener Drehschieberverdichter ist.

14. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckerhöhungseinrichtung eine Flüssigkeits pumpe ist.

15. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Kältemittel ein Niedertemperatur-Kältemittel und als Lösungsmittel ein Hochtemperatur-Kältemittel verwendet ist.