DE4003446A1

DE4003446A1 - Verfahren zur erzeugung von kaelte und zur umwandlung des vorhandenen energiepotential in nutzbare waerme und energie

Info

Publication number: DE4003446A1
Application number: DE4003446A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dipl Ing Curtius
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-05-17
Filing date: 1990-02-06
Publication date: 1991-08-08

Description

Eines der viel diskutierten und ungelösten Probleme auf der Erde ist der Treibhauseffekt, der u. a. durch die CO₂-Anreiche rung in der Atmosphäre verursacht ist. Das CO₂ wird im wesent lichen durch Verbrennung der fossilen Energieträger in den industrialisierten Ländern erzeugt. Dabei dient ein großer Anteil der erzeugten Wärme zur Bereitstellung der notwendigen Heizleistung, d. h. ca 30% der CO₂-Emissionen entstehen für die Bereitstellung der notwendigen Heizleistung im Bereich von 100 grd C und nach der uralten Methode der Verbrennung fossiler Energieträger.

In der Praxis deckt man diesen Bedarf an Heizenergie teilweise durch die Installation von Elektro-Wärmepumpen, welche die Wärmepotentiale aus der Umgebung oder technischen Prozessen nutzen, um Fernwärme zu erzeugen.

Diese Wärmepumpen haben aber den Nachteil, daß sie mit Strom betrieben werden, der auch wieder zu Lasten der Umwelt sei es als Atomstrom oder als Strom aus fossilen Energieträgern erzeugt wurde.

Das System der Kompressionswärmepumpe beinhaltet noch den weiteren Nachteil, daß bedingt durch die physikalische Charak teristik der Kältemittel mit zunehmender Temperaturdifferenz der Energiebedarf für die Verdichterleistung unverhältnismäßig ansteigt.

Es ist die Aufgabe der Erfindung die beschriebenen Wärmepoten tiale verstärkt zu nutzen, um das Verbrennen von fossilen Energieträgern zu reduzieren.

Es ist die weitere Aufgabe der Erfindung, auch größere Temperaturunterschiede zwischen dem vorhandenen Wärmepotential und der gewünschten Temperatur des Verbrauchers ohne den Nachteil des überhöhten Strombedarfes zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß
1. als Energiepotential die auf der Erde vorhandenen Medien, wie Wasser, Luft, Boden . . . genutzt werden, die ständig vor allem durch Sonneneinstrahlung erwärmt werden und eine bestimmte Energie gespeichert haben.
2. Medien in oder aus technischen oder biologischen Prozessen als Energieträger genutzt werden,
3. ein Teil der Wärme der unter 1. und 2. beschriebenen Energieträger indirekt auf einen flüssigen Stoff übertragen wird und diesen verdampft,
4. dieser Stoff als Stoff I mit der tiefen Siedetemperatur in einem Verfahren in der unteren Prozeßschlaufe I um einen Waschkondensator behandelt wird und dem Waschkondensator als Dampf zugeführt wird,
5. dieser Stoff I in dem Waschkondensator kondensiert wird und die Kondensationswärme auf den Stoff II von höherer Siedetempera tur übertragen wird,
6. der Stoff II aus dem Waschkondensator dampfförmig abgezogen wird und seine Wärme in einem Kondensator als Nutzwärme abgibt,
7. der Stoff II nach einer Behandlung gemäß Anspruch 7-12 ebenfalls in einem Schlaufenprozeß dem Waschkondensator als Waschflüssigkeit wieder zugeführt wird.

Neben dem Treibhauseffekt ist das Ozonloch ein weiteres Problem unserer Zeit. Es ist u. a. durch die Herstellung und die Verwendung von FCKW′s entstanden.

Bei Einsatz von anderen Kältemitteln mit weniger Chlor oder von natürlichen Kältemitteln in den Kälteanlagen kann die Vergrößerung des Ozonloches verlangsamt werden. Zur Reduzie rung des Verbrauches an elektrischer Energie in den Kälteag gregaten müssen diese aber mit einer wirkungsvollen Isolierung gegen Eintritt der Wärme aus der Umgebung geschützt werden.

Diese wirkungsvollen Isolierungen haben aber den Nachteil, daß sie auch wiederum FCKW′s enthalten, die teilweise schon bei der Produktion der Isolierung als ozonlochschädigendes Spuren element entweichen. Die aber nach Gebrauch der Kühlaggregate, bei der Verschrottung derselben, wieder freigesetzt werden.

Es ist eine weitere, zweite Aufgabe der Erfindung, diese weiteren Nachteile der eingeführten Kältetechnik nämlich
gute Isolierung - Schädigung der Ozonschicht
schlechte Isolierung - erhöhter Stromverbrauch und Verstärkung des Treibhauseffektes
zu vermeiden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß
1. auch die Bereitstellung von Kälteleistung nach einem Verfahren gemäß Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung erfolgt,
2. die abgebene Kälteleistung als Überschußwärme auf so hohem Temperaturniveau verfügbar wird, daß sie als Nutzwärme z. B. für Prozeß- und Heizwärme zu verwenden ist,
3. die Kälteanlage als Anlage zur Wärmeerzeugung konzipiert und betrieben wird,
4. der Kälteteil zur Steigerung der Wärmeerzeugung mit einem größeren Wärmetauscher (Verdampfer) ausgerüstet wird und dadurch eine einfachere FCKW-freie Isolierung eingesetzt wer den kann.

Eine weitere Ursache für die hohen CO₂-Emissionen der Indu strieländer der Erde liegt in den schlechten Wirkungsgraden bei der Erzeugung von elektrischer Energie mit dem Rakinepro zeß. Bei diesem Kreisprozeß mit Wasser und Wasserdampf ist es physikalisch gegeben, daß über 50% der eingesetzten thermi schen Energie nutzlos über Dampfkondensatoren an die Umgebung abgeführt werden müssen. Teilweise wird diese Wärme über Kühltürme an die Umgebung abgegeben oder sie wird mit Flußwas ser abgeführt. Hierdurch werden die Flüsse zum Schaden der Umwelt künstlich aufgeheizt.

Es ist die weitere, dritte Aufgabe der Erfindung, bei der Umwandlung von Wärme in elektrische Energie, die Kondensa tionswärme wieder zu gewinnen und den Nachteil der eingeführ ten Technik nämlich die Aufheizung der Flüsse und der Luft zu reduzieren.

Erfindungsgemäß wird diese dritte Aufgabe dadurch gelöst, daß
1. für die energiereiche Form des entspannten Dampfes aus der Turbine durch Kondensation eine weitere Nutzung des Wärmein haltes ermöglicht wird,
2. bei einem Entspannungsprozeß mit herkömmlichen Wasserdampf diese Kondensationswärme indrekt gemäß der Erfindung zur Verdampfung des Stoffes I verwendet wird,
2.1 mit dieser Kondensationswärme nach einer Übertragung im Waschkondensator auf den Stoff II im Kondensator des Stoffes II erneut Prozeßdamf erzeugt wird,
2.2 die Entspannungsturbine für den Prozeßdampf bei tieferen Absolutdrücken betrieben wird,
3. in die Prozeßschlaufe I gemäß der Erfindung zusätzlich eine Pumpe zur Druckerhöhung und eine Entspannungmaschine installiert werden,
3.1 die elektrische Energie in der Prozeßschlaufe mit dem Stoff I erzeugt wird,
3.2 die Kondensationwärme nach direkter Übertragung im Wasch kondensator auf den Stoff II auf erhöhtem Temperaturniveau im Kondensator der Prozeßschlaufe II verfügbar wird,
3.3 diese Wärme des Stoffes II oder eine Wärme auf höherem Temperaturniveau zur erneuten Verdampfung des Stoffes I verwendet wird,
3.4 dem Dampfprozeß von außen als Energie nur die Wärme zugeführt wird, die durch die Arbeit der Entspannungsmaschine als Wärmeäquivalent abgeführt wird.

Zusammenfassend können die 3 beschriebenen Aufgaben der Erfindung wie folgt vereinfacht dargestellt werden:
1. Nutzung des Energiepotential bei Umgebungstemperatur zur Energiegewinnung,
2. Betrieb der Kälteanlagen zur Energiegewinnung,
3. Rückgewinnung der Kondensationswärme aus Kreisprozessen zur Stromerzeugung.

Die vorliegende Erfindung arbeitet mit idealen Stoffpaaren und basiert auf unterschiedlichen Sorptionsvorgängen zur Absorp tion und Desorption der 2 idealen Stoffe.

Nach dem Stand der Technik werden auch in Absorptionskältean lagen verschiedene Sorptionsvorgänge ausgeführt.

Beschreibungen dieser Anlagen befinden sich bei Heinrich Drees, Kühlanlagen, Beispiel S. 98, VEB Verlag Technik Berlin 1965 und Wilhelm Niebergall, Sorptionskältemaschinen, S. 10, Springer verlag, Berlin 1981.

Bei beiden arbeiten die Anlagen nach dem Prinzip, daß die Kälteleistung als Absorptionswärme im Absorber abzuführen ist.

Dies hat den Nachteil, daß ein kältemittelreiches Gemisch physikalisch bedingt bei tiefen Temperaturen mit Kühlwasser zu kühlen ist.

Als weiterer Nachteil zeigt sich, daß mehr als die Kältelei stung durch Primärenergie nochmals in dem Kocher zur Trennung des Absorbergemisches aufzubringen ist.

Nach der vorliegenden Erfindung wird der Waschkondensator im Gegenstrombetrieb als Absorber für den Stoff I vor allem aber als Desorber für den Stoff II gefahren. Durch die Installation einer hohen Trennstufenzahl im Waschkondensator wird eine gute Trennung in die relativ reinen Komponenten erreicht. Entspre chend dem Hauptanspruch fallen dort an:

- am Fuß des Waschkondensators, das Kondensat des Stoff I, der als Dampf und Wärmeträger erneut in dem Waschkondensator verwendet wird,
- am Kopf des Waschkondensator der Dampf des Stoff II, der nach Wärmeabgabe in einem Kondensator als Waschflüssigkeit für den dampfförmigen Stoff I erneut verwendet wird.

Zunächst kann die gesamte Kälteleistung auf dem Siedeniveau des Stoffes II vorteilhaft genutzt werden.

Beide Stoffströme, das Kondensat des Stoff I und der Dampf des Stoff II müssen aufbereitet werden, d. h. jeweils in die Einzelkomponenten, den Leichtsieder Stoff I und den Schwersie der Stoff II zerlegt werden.

Diese Aufgabe wird in der Technik mittels Rektifikation in einer Trennkolonne durchgeführt.

Für den Betrieb des Verfahrens wird aus dem Kondensat nur der Stoff I in reiner Form benötigt und aus dem Dampf aus dem Waschkondensator nur der Stoff II in reiner Form benötigt. Deshalb werden gegenüber dem Stand der Technik die beiden Stoffströme getrennt voneinander aufbereitet und mit dem Ziel jeweils nur die eine, wichtige Komponente in reiner Form zu gewinnen.

Das Kondensat des Leichtsieder Stoff I wird nach einem weiteren Gedanken der Erfindung in mehreren Stufen mittels Destillation von dem Destillationsrückstand abgetrennt. Das Ziel dieses Prozeßschrittes, nämlich die reine Komponente des Stoff I zu gewinnen, wird durch die flüssige Aufgabe von reinem Destillat am Kolonnenkopf erreicht. Die Qualität des Destillationsrückstand ist hier von untergeordneter Bedeutung.

Die Aufbereitung des zweiten Stoffstromes aus dem Waschkonden sator nämlich des Dampfes des Schwersieder Stoff II wird nach der Verflüssigung mittels Kondensation ebenfalls mittels Destillation ausgeführt. Im Gegensatz zu dem oben beschriebe nen Prozeßschritt mit mehrstufiger Destillation ist bei diesem Prozeßschritt das Ziel, den Stoff II als Destillationsrück stand in reiner Form zu gewinnen. Hier wird das Destillat als Gemisch von Stoff I und Stoff II abgezogen.

Die Durchführung der 2 Prozeßschritte mit dem Ziel jeweils nur eine der 2 Komponenten als reine Form zugewinnen, bringt er findungsgemäß einen weiteren Vorteil des Verfahrens. Neben der Gewinnung der Kondensationswärme auf dem Siedeniveau von Stoff II kann die mehrstufige Destillation, die zunächst den Stoff I als Komponente liefern soll, auch gleichzeitig mit dem vorhandenen Wärmepotential oder mit der Nutzkälte betrie ben und beheizt werden.

Nach dem neuen Verfahren wird die Hauptenergie zur Destilla tion des Leichtsieders erfindungsgemäß also durch Abwärme beigestellt.

Bei der Gewinnung von einer reinen Komponente fällt jeweils ein Rückstand an, als Mischung der beiden Stoffe. Dies ist einmal der Destillationsrückstand aus der mehrstufigen Destil lation und das Destillat bei der Gewinnung des Schwersieders Stoff II. Es wird vorgeschlagen diese Rückstände oder Ab schlämmungen gemeinsam aufzubereiten, in einer separaten Stufe, die im folgenden als zentrale Station bezeichnet wird. Die Trennung erfolgt hier ebenfalls destillativ, als Apparat wird eine Rektifikationskolonne eingesetzt, aus der man beide Stoffe in reiner Form erhalten kann.

Im folgenden wird diese Trennung auch mit Destillation be zeichnet. Diese Verfahren sind bei Klaus Sattler, Thermische Trennverfahren, S. 100-103, VCH Weinheim, 1988 beschrieben.

Die Abfuhr der Absorptionswärme und die Trennung der zwei Lösungsmittelgemische lassen sich also mit dem neuen Verfahren gegenüber dem Stand der Technik viel günstiger durchführen.

Bei diesen beschriebenen Prozeßschritten wird der Vorteil jeweils durch die gezielte Desorption eines Stoffes erreicht. Im Waschkondensator ist es die Desorption des schwerflüchtigen Stoffes II und in den 2 Prozeßschlaufen I und II die gezielte Desorption des Leichtsieders Stoff I.

In Analogie zur Absoprtionkältemaschine kann die vorliegende Erfindung auch als Desorptionswärmepumpe bezeichnet werden.

Im folgenden wird die Erfindung näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein Fließbild der Desorptionwärmepumpe,

Fig. 2 zeigt ein Verfahren zur Gewinnung von elektrischer Energie aus den vorhandenen Prozessen,

Fig. 3 zeigt ein Verfahren zur Gewinnung von elektrischer Energie,

Fig. 4 zeigt die Prozeßschlaufe zur Erzeugung von elektrischer Energie im log p-h Diagramm.

Das Prinzip des Verfahrens zur Gewinnung von nutzbarer Wär menergie ist aus Fig. 1 ersichtlich.

Den Mittelpunkt des Verfahrens bildet der Waschkondensator 1, der aus der Patentanmeldung P 39 16 073.4-44 bekannt ist. Analog zu den bekannten Kreisprozessen sind um den Waschkon densator 1 zwei Prozeßschlaufen I und II aufgebaut. Die untere Prozeßschlaufe I mit einem Stoff I als Leichtsie der, die obere Prozeßschlaufe II mit einem Stoff II als Schwersieder und der Waschkondensator 1 bilden die Anlage zur Durchführung des neuen Verfahrens.

Die Stoffe I und II verhalten sich untereinander möglichst ideal, wie z. B. das Stoffpaar Ammoniak/Wasser (NH₃/H₂O). In der Flüssigphase lassen sich beide Stoffe beliebig miteinander vermischen. Das Stoffgemisch ist in dem i-x Diagramm für Ammoniak-Wassergemische nach Merkel und Bosnjakovic darge stellt. Dieses Diagramm liegt dem Buch von W. Niebergall bei.

Zur Umwandlung von vorhandenem Energiepotential in nutzbare Wärme wird nach der Erfindung, der Stoff I in einem Wärme tauscher verdampft und gelangt als Dampf in den Waschkonden sator, um dort im Gegenstrom zu der Waschflüssigkeit konden siert zu werden. Durch den kontinuierlichen Anfall der Konden sationswärme desorbiert der Stoff II aus der Waschflüssigkeit und kann als neuer Energieträger aus dem Waschkondensator abgezogen werden.

Die in der unteren Prozeßschlaufe I vom Stoff I (z. B. NH₃) aufgenommene Wärme befindet sich dann in Form des Dampfes im Stoff II und kann im Wärmetauscher der oberen Prozeßschlaufe II durch Kondensation des Stoffes II (z. B. H₂O) genutzt werden.

Beide Stoffe die aus dem Waschkondensator 1 abgezogen werden fallen nicht als reine Komponenten an, sondern sind durch den zweiten Stoff verunreinigt.

Im Kondensat des Leichsieders, Stoff I können noch Anteile vom Stoff II enthalten sein.

Und im Dampf des Stoff II als dem Schwersieder befinden sich auch Anteile vom Stoff I.

Deshalb müssen beide Stoffströme oder zumindest Teilströme hiervon vor erneuter Aufgabe in den Prozeß der Wärmegewinnung einer Behandlungsstufe zugeführt werden, in der durch Destil lation des Leichtsieders (Stoff I) die reinen Komponenten isoliert werden.

Gemäß dem Hauptanspruch der Erfindung erfolgt die Destillation des Stoff I auf die Weise, daß

a) beide Stoffstöme separat, nämlich in der Prozeßschlaufe I und in der Prozeßschlaufe II behandelt werden,
b) das Kondensat in der Prozeßschlaufe I nach Anspruch 3 in mehreren Stufen verdampft und die verbleibende Flüssigkeit hinsichtlich des Stoff II sich aufkonzentriert,
c) aus dem Kondensat des Stoffes II der Prozeßschlaufe II bei einer leichten Überhitzung des Stoff II der leichterflüchtige Stoff I entweicht.

Die mehrstufige Verdampfung in der unteren Prozeßschlaufe I hat den Vorteil, daß die Hauptmenge des Leichtsieder (Stoff I) bei tiefem Temperaturniveau durch die eingebrachte Kühl- oder Wärmemenge verdampft bzw. destilliert werden kann. Dieser Vorteil ist durch die physikalisch bedingte Siedetemperatur der Zweistoffgemische gegeben.

Die einstufige Trennung wie bei den Absorptionskälteanlagen oben erwähnt, benötigt dagegen die Wärmezufuhr auf Siedeniveau des Stoffes II.

Diese Technik wird für die unter c) beschriebene Destillation von Stoff I aus Stoff II in der Prozeßschlaufe II eingesetzt. Da die Verunreinigungen von Stoff I in der Prozeßschlaufe II im Prozentbereich liegen, ist - vorteilhaft - der Bedarf an Primärenergie für diese Stufe klein.

Entsprechend einem weiteren Gedanken der Erfindung werden die Abschlämmungen aus den beiden Prozeßschlaufen nämlich,
das Konzentrat oder der Destillationsrückstand von Stoff II aus der unteren Prozeßschlaufe I und
das Destillat von Stoff I aus der oberen Prozeßschlaufe II
erfaßt, abgezogen und eventuell zusammen aufbereitet.

Im folgenden wird die Fig. 1 beschrieben.

Fig. 1 ist das Fließbild eines Verfahren zur Erzeugung von nutzbarer Wärmeernergie aus einem vorhandenen Energiepotential von tieferer Temperatur. Die angegebenen Werte basieren auf dem Stoffpaar NH₃/Wasser und sind in dem beiliegenden Beispiel I zusammengestellt.

Das Kondensat des Leichtsieders (Stoff I) wird aus der Vorlage 6 im Waschkondensator 1 abgezogen und der ersten Stufe 12 des mehrstufigen Verdampfers an der Stelle 16 zugeführt. Die einzelnen Stufen sind mit 12, 13 und 14 bezeichnet. Die vierte nicht gezeichnete Stufe wird später im Zusammenhang mit der Behandlung der Abschlämmung erläutert.

Die Verdampferstufe 12 wie auch die Stufen 13 und 14 sind als Rektifikationskolonnen dargestellt mit den außen liegenden Verdampfern 15, 29, 27.

Es können als Verdampfer auch Austreiber in der Form einge setzt werden, wie sie von W. Niebergall auf den Seiten 339 und 341 dargestellt sind.

Das Kondensat aus dem Waschkondensator 1 hat nach Beispiel I eine Konzentration von 95% NH₃ und wird im außenliegenden Verdampfer auf 70% NH₃ aufkonzentriert. Dabei werden nach dem Gedanken der Erfindung bereits 90% der NH₃-Menge bei -30°C und dem zugehörigen Druck von 0,8 ata verdampft.

Der NH₃-Dampf tritt bei 17 aus der Kolonne aus und gelangt über die Verbindungsleitung 19 zurück in den Waschkondensator 1. Zur Verbesserung der Reinheit des bei 17 austretenden Dampfes wird über die Leitung 20 an der Stelle 21 frisches Kondensat des Leichtsieders NH₃ aufgegeben.

Die Aufgabe von extern erzeugtem reinen Leichtsieder am Kopf der Kolonne ersetzt die bei der Rektifikation aufwendige Installation für die Kühlleistung. Der über die Leitung 20 zugeführte flüssige Leichtsieder NH₃ ist gleichzeitig der Ersatz für den aus der Prozeßschlaufe I über die Leitung 30 abgezogenen NH₃-Anteil.

Die Verdampferstufe 12 und die Stufe 13 und 14 werden also wie eine Rektifikation betrieben, so wie sie auch bei Niebergall oder Klaus Sattler beschrieben sind. Im Falle der mehrstufigen Verdampfung/Destillation ist es aber sinnvoll, den Rücklauf über die Leitung 20 aus einer separaten gemeinsamen Anlage zuzuführen, da die Aufbereitung des Leichtsieders in einer zentralen Station apparativ einfacher ist.

Die Verdampfer können als Boden- oder als Füllkörperkolonnen ausgeführt sein, unter Verwendung der bekannten Einbauten. In Fig. 1 sind nur der Verstärkerteil 23 und der Abtriebsteil 22 eingezeichet.

Das Sumpfprodukt im Verdampfer 12 wird bei einem NH₃-Gehalt von 70% im außenliegenden Verdampfer 15 bei -30°C verdampft.

Über die Leitung 24 wird der Stoff I mit 70% NH₃ der nächsten Verdampferstufe 13 zugeführt. Diese hat wie auch der Verdamp fer 14 die gleichen baulichen Merkmale und kann auch ebenso betrieben werden.

Nach Beispiel I wird das Kondesat im Verdampfer 13 von 70% auf 60% NH₃ aufkonzentriert. Die Wärmezufuhr erfolgt hier bei höherer Verdampfungstemperatur, aber es müssen auch nur noch 4,4% der NH₃-Menge verdampft werden.

Die weitere Verdampfung des Leichtsieders erfolgt im dem Verdampfer 14. Die Zufuhr der Flüssigkeit mit der Temperatur von -22°C und der Konzentration von 60% NH₃ erfolgt über die Leitung 26, der Prozeßschlaufe I. Im Verdampfer 14 ist eine Eindampfung auf 50% vorgesehen. Das entspricht einer Temperatur von -12°C im Kolonnensumpf und einer NH₃- Destillation von 2,4% der gesamten NH₃-Menge. Über die Aufgabe 28 erfolgt die Einspeisung von flüssigem Leichtsieder aus der Leitung 20.

Der destillierte Leichtsieder NH₃ aus den Verdampferstufen 12, 13, 14 wird als reiner Dampf und Energieträger des Verfahrens über die Leitung 19 erneut dem Waschkondensator 1 zugeführt. Hiermit ist die untere Prozeßschlaufe oder Schlaufe I ge schlossen.

Dem Waschkondensator 1 wird neben dem Dampf des Stoff I auch das Kondensat des Stoff II über den Stutzen 10 zugeführt, das die Waschflüssigkeit für den Stoff I bildet.

Der Waschkondensator 1 ist in Funktion und Ausführung mit dem unter P 39 16 073.4-44 vergleichbar. Auf Fig. 1 sind mit 2 der Flüssigkeitsverteiler und mit 3 die Einbauten bezeichnet, die als Packung oder als Bodenkolonne ausgeführt sein können. In dem Gehäuse 5 sind also die Einbauten untergebracht.

Der aus dem Raum 4 aufsteigende Dampf kondensiert nach dem Gesetz von Raoult an der Waschflüssigkeit. Die freiwerdende Kondensationswärme wird für die gewünschte Desorption des Stoffes II aus der Waschflüssigkeit genutzt.

Am Austritt 9 wird der Dampf des Stoff II nach Beispiel I, Wasserdampf, über die Leitung 31 abgezogen. Der Stoff II wird in der oberen Prozeßschlaufe II drei Behandlungen unterzogen:

a) Gewinnung der Nutzwärme durch Kondensation
b) Abtrennung des Leichtsieders (NH₃)
c) Überhitzung mit Einleitung als Waschflüssigkeit in den Waschkondensator 1.

Hierzu gelangt der Dampf über die Leitung 31 in den Kondensa tor 32. Hier wird die Nutzwärme an den Verbraucher z. B. zur Aufheizung von Wasser abgegeben.

Über die Leitung 33, in die der Kondensattopf 34 eingebaut ist, gelangt der Schwersieder zur Abtrennung des Leichtsieders (NH₃) in die Destillation 35. Apparativ ist die Destillation 35 in dem Beispiel gleich ausgeführt, wie der Verdampfer 12, 13 und 14. Die Destillation wird jedoch zur Erzeugung des reinen Schwersieders (H₂O) betrieben. Deshalb wird die Wärme im außenliegenden Wärmetauscher 36 auf dem Siedeniveau des Schwersieders zugeführt. Die Zusammensetzung des Destillates, NH₃ und Wasser, ist von untergeordneter Bedeutung. Die Destil lataufbereitung wird weiter unten beschrieben.

Der reine Schwersieder wird über die Leitung 37 der weiteren Aufbereitung zur Druckerhöhung zugeführt. Die Drucksteigerung erfolgt in der Pumpe 38 und die entsprechende Aufheizung auf Siedebedingungen in dem Wärmetauscher 39. Aus diesem Wärme tauscher erfolgt die Rückführung des flüssigen Schwersieders über das Entspannungsventil 40 und die Leitung 41 in den Waschkondensator 1. Hiermit ist auch die Prozeßschlaufe II geschlossen.

Im folgenden wird die Aufbereitung des Destillates aus der Destillation 35 in Zusammenhang mit der Aufbereitung der Abschlämmung aus der Prozeßschlaufe I beschrieben.

Das Verfahren nach Fig. 1 ist eine dezentrale Installation zur Kühlung und/oder Wärmegewinnung beispielsweise zur Beheizung von Gebäuden. Es ist vorteilhaft zentral für mehrere Anlagen eine gemeinsame Aufbereitung für das Konzentrat aus der Pro zeßschlaufe I und das Destillat aus Prozeßschlaufe II zu installieren. Diese nicht gezeigte Aufbereitung wird in einer zentralen Station angeordnet und ist damit die 4. Stufe zu den in Fig. 1 dargestellten Verdampfern 12, 13, 14. Für diesen Fall erhält die Destillation 35 auch eine Einspeisung für flüssigen Leichtsieder NH₃ aus der Leitung 20 über die Zufüh rung 43 in den Kopf der Destillation 35. Diese Aufgabe von Flüssigkeit ersetzt eine sonst notwendige Rektifikation mit Kühleinrichtung. Außerdem kann durch die Aufgabe von Flüssig keit auf mögliche Prozeßschwankungen viel schneller reagiert werden. Aus der Destillation wird das Destillat dampfförmig abgezogen. Die Konzentration sollte im Bereich der Abschläm mung aus der Prozeßschlaufe I liegen, nach dem Beispiel I ca. 50%. Vor der Rückführung des Destillates über die Leitung 42 kann eine Kondensation im Kondensator 44 mit nachgeschaltetem Kondensattopf 45 erfolgen.

Auch der Anteil an Schwersieder H₂O in der Entsorgungleitung 30 muß in der oberen Prozeßschlaufe II ergänzt werden. Deshalb wird über die Leitung 50 aufbereiteter Schwersieder H₂O in den Sumpf 46 der Destillation 35 eingespeist.

Das in Fig. 1 beschriebene Verfahren zur Umwandlung von Wärme oder zur Kälteerzeugung wird vorteilhaft mit einer zentralen Station zur Versorgung mit den aufbereiteten Stoffen und zur Entsorgung der Abschlämmungen betrieben. Hier wird das Stoff gemisch mittels Rektifikation in die 2 Komponenten zerlegt. Über die Leitungen 20 für Leichtsieder, 50 für Schwersieder und 30 für die Abschlämmungen ist die örtliche Anlage gemäß der Erfindung mit der zentralen Station verbunden.

Für den Betrieb der Rektifikation wird Energie benötigt. In flüssiger Form sind die reinen Komponenten gut zu lagern. Gemäß Unteranspruch 14 der Erfindung wird zentraler Wärme- Überschuß durch physikalische Trennung eines Zweistoffgemi sches gespeichert. Über die kalten Fernleitungen 20 und 50 analog der Fernwärmeversorgung werden die 2 Stoffe dem dezen tralen Verbraucher zugeführt. Die zentrale Station zur Rekti fikation des Gemisches kann die benötigte Energie oder Über schußwärme speichern. Die notwendige Wärme- und Kälteleistung kann aber auch durch den Einsatz des Verfahrens nach Anspruch 1 beigestellt werden.

Es ist weiter möglich auch Komponenten der Prozeßschlaufe I und II räumlich von dem Waschkondensator zu trennen oder diese in der zentralen Station aufzustellen. Vor allem der Transport des dampfförmigen Stoff I als Energieträger kann vorteilhaft bei dem Temperaturniveau nach Beispiel I ohne Wärmeverluste erfolgen.

Das angeführte Beispiel I zur Wärmeerzeugung arbeitet mit einem Ammoniak/Wassergemisch bei einem Betriebsdruck von 0,8 ata.

Hierdurch ist sichergestellt, daß

1) mit NH₃ und H₂O umweltfreundliche Stoffe eingesetzt werden,
2) durch den Unterdruck im System eine Gefahr des Freisetzens von NH₃ und eine Gefährdung der Bevölkerung gering sind,
3) im Druckbereich der Prozeßschlaufe II, im Wärmetauscher 39 kein Leichtsieder NH₃ vorhanden ist.

Es ist selbstverständlich auch möglich, die Aufbereitung in der Prozeßschlaufe II auf höherem Druckniveau zu betreiben. Dann ist es sinnvoll die Druckerhöhungspumpe 38 in die Rohrleitung 33 einzusetzen und den Wärmeaustauscher 39 wegzu lassen.

Dieser Schritt ist aus energetischen Gründen möglich, da im außenliegenden Verdampfer 36 und im Wärmetauscher 39 Primär energie eventuell auch elektrische Energie zur Beheizung eingesetzt werden.

Die Erzeugung der Kälte in der unteren Prozeßschlaufe I bzw. die Aufgabe der Abwärme in die Verdampferstufen 27, 29, 15 erfolgt hier über eine Soleleitung, welche die Wärmetauscher in Serie verbindet. Soleeintritt ist bei 47, Soleaustritt bei 48.

Im Falle der Wärmeerzeugung und bei Winterbetrieb kann die Kühlsole nicht immer mit einer Temperatur über -12°C als Wärmeträger, bei einer Nutzung der Wärme aus der Umgebungs luft, geliefert werden. Dann kann die Einspeisung der Kühlsole direkt in den Wärmetauscher 15 erfolgen, die hier mit Leitung 49 nur angedeutet ist. Die Wärme für den Betrieb der Verdamp fer 13 und 14 als Destillation kann dann über den Wärmetau scher 32 oder den Kondensator in der Leitung 42 beigestellt werden. Die dadurch entstehende Minderleistung der Anlage ist bei Wintertagen und Beispiel I ca. 10% der gesamten Wärmeleistung.

Im Sommerbetrieb bei hohen Außentemperaturen kann die Wärme leistung zusätzlich über einen Wärmetauscher 51 zur Überhit zung des Leichtsieders in der Leitung 19 gesteigert werden.

Der Betrieb mit anderen Stoffpaaren ist auch möglich. Für eine Reihe von möglichen Kohlenwasserstoffverbindungen sind die physikalischen Werte dem Wärmeatlas zu entnehmen.

Als eine Möglichkeit eines anwendbaren Stoffpaares sei erwähnt:

Leichtsieder C₂H₄ - Äthen,
Schwersieder C₇H₈ - Heptan.

Aufgrund anderer Siedetemperaturen der Komponenten ergibt sich aber ein anderer Arbeitsbereich nämlich bei tieferen Tempera turen als für das gewählte Stoffpaar NH₃/H₂O.

Die obige Beschreibung der Fig. 1 zeigte den Einsatz des Verfahrens speziell zur Umwandlung von vorhandenem Energiepo tential in Heiz- oder Prozeßwärme entspr. der Formulierung der 1. Aufgabe. Soll das Verfahren entspr. dem Thema der 2. Aufgabe zur Erzeugung von Kälte eingesetzt werden, so kann das Verfahren wie oben betrieben werden. Eine einfachere Isolie rung auf der kalten Seite bewirkt einen ähnlichen Effekt, wie der oben beschriebene Einsatz des Wärmetauschers 51, nämliche eine Steigerung der erzeugten Wärme.

In diesem Zusammenhang ergibt sich für die Installation des Verfahrens im Bereich Heizung- und Klimatechnik ein weiterer Vorteil der beschriebenen Erfindung. Erfindungsgemäß können die mit FCKW (Fluor/Chlor/Kohlen/Wasserstoffe) betriebenen Kühlaggregate einfach ersetzt werden. In den Gebäuden können je nach Bedarf kleine Kammern (Schränke), größere Kühlräume oder Installationen zur Raumklimatisierung über einfache Kühl register betrieben und gekühlt werden, die mit den verschiede nen Kälteträgern der Fig. 1 beschickt werden können. Hierzu gehört u. a. das frische Kondensat des Leichtsieders aus der Leitung 20 und das Kondensat des Stoff I nach dem Waschkonden sator 1 oder die gekühlte Sole 48. Die jeweiligen Wärmetau scher der Kälteverbraucher werden über Leitungen mit der Anlage nach Fig. 1 verbunden und beispielsweise mit dem Kondensat von Stoff I aus der Leitung 11 als dem Kältemittel versorgt.

Auf diese Weise wird gemäß der Erfindung mit einer Installa tion zur Erzeugung von Wärme, ohne zusätzliche Belastung der Atmosphäre, auch die notwendige Kälteleistung beigestellt.

Die 3. Aufgabe der Erfindung ist die Umwandlung von der er zeugten Wärme in elektrische Energie. Hier sei zunächst der Weg beschrieben, der es ermöglicht, auch die Energieumwandlung der bestehenden Kraftwerke zu verbessern. Das Verfahren hier für ist in Fig. 2 beschrieben.

Hier ist neben der unteren Prozeßschlaufe I und der oberen Prozeßschlaufe II ein Rankine Prozeß als Kreisprozeß III für Dampf (Wasserdampf) eingezeichnet.

Beginnend mit der Kesselspeisepumpe 55 wird das Kondensat über die Leitung 56 zu dem Wärmetauscher 32 gefördert. Dieser ist als Kondensator für den Stoff II (Wasserdampf) und als Verdampfer für Wasser ausgeführt. Als Konstruktionsprinzip kann der überflutete Verdampfer, mit dem Wärmeträger in den Rohren, verwendet werden.

Der erzeugte Wasserdampf strömt von hier über die Leitung 57 in den Überhitzer 58. Hier wird der Sattdampf des Kreisprozeß III mit Primärenergie, die aus dem Kraftwerk ausgekoppelt wird, überhitzt. In diesem Zustand wird er über die Leitung 59 der Entspannungsturbine 60 zugeführt und entspannt. Über die Turbine wird der Generator 61 zur Erzeugung von elektrischer Energie angetrieben.

Der entspannte Dampf strömt über die Leitung 69 in den oben beschriebenen mehrstufigen Verdampfer 14, 13, 12. Die Heizkammern 15, 29, 27 werden jetzt mit dem kondensierenden Dampf aus dem Kreisprozeß III betrieben.

Erfindungsgemäß wird in dieser Stufe die Kondensationswärme aus dem Rankine Prozeß zur weiteren Nutzung wiedergewonnen.

Nur für die Stromerzeugung wäre der Einsatz von einem der dargestellten Wärmetauscher ausreichend. Die 3stufige Ausfüh rung der Verdampfer zur Kondensation des Prozeßdampfes III hat entspr. dem Gedanken der Erfindung den Vorteil, daß das mittlere treibende Gefälle zwischen Stoff I und Stoff III größer wird und damit die Verdampferflächen kleiner gebaut werden können. Außerdem kann in die Stufe 12 zusätzliche Abwärme aus dem Kraftwerk auf tieferem Temperaturniveau aufge geben werden. Diese Wärme steht im Wärmetauscher 32 zusätzlich neben der Kondensationswärme aus dem Rankine Prozeß zur Verfügung.

Aus dem Verdampfer 12 fällt in der außenliegenden Heizkammer 15 das Kondensat des Prozeßdampfes III an und kann über den Kondensattopf 62 in der Leitung 63 erneut in den Kreisprozeß III gegeben werden.

Das in Fig. 2 beschriebene Verfahren ermöglicht somit die Erzeugung von elektrischer Energie in einem Kreisprozeß III, dem von außen Energie zugeführt wird, der aber nach außen nur wenig Energie verliert, der aber gegenüber dem Stand der Technik vor allem die Kondensationswärme wiedergewinnt.

Dies hat den Vorteil, daß die Energieumwandlung von Wärme in elektrische Energie mit verbesserten Wirkungsgraden erfolgt. Das in Fig. 2 beschriebene Verfahren ermöglicht somit zusätzlich zu dem Verfahren nach Fig. 1 eine vorteilhafte Umwandlung des Energiepotentiales fossiler Brennstoffe in Arbeit und elektrischer Energie.

Ein Zahlenbeispiel für das Verfahren unter Fig. 2 findet sich im Beispiel II.

Im Kreisprozeß III für Wasser/Wasserdampf wird Dampf von 5 ata, 400°C auf 0,2 ata in der Turbine 60 entspannt. Der gekoppelte Generator 61 erzeugt die elektrische Energie. Die Kondensationswärme des Wasserdampfes geht in die untere Prozeßschlaufe I bei einem Betriebsdruck von 8 ata und einer maximalen Temperatur im Zweistoffgemisch von 40°C. In der oberen Prozeßschlaufe II fällt die Kondensationwärme bei 8 ata max. 169°C im Wärmetauscher 32 an.

Diese Wärme wird verwendet, um

1) das Kondensat im Kreisprozeß III vorzuwärmen,
2) das Kondensat im Kreisprozeß III zu verdampfen,
3) in der 3. Verdampferstufe 14 den Ammoniak auf 50% auszutreiben.

In dem Verfahren nach Beispiel II zur Erzeugung von elektri scher Energie wird im Kreisprozeß III Primärenergie nur zur Überhitzung des Prozeßdampfes benötigt. Der restliche Wärmebe darf fällt auf tieferem Niveau an und kann deshalb durch Umwandlung von Abwärme in nutzbare Wärme nach dem Verfahren des Hauptanspruch beigestellt werden. Nach Beispiel II ist hier das Verhältnis von erzeugter elektr. Energie L zu eingesetzter Primärenergie Q L/Q=1,33.

Es ist weiter möglich weitere Abwärme aus dem Kraftwerk, vor allem aus den Kondensatoren, in die erfindungsgemäße Anlage einzuspeisen und auf erhöhtem Niveau nutzbar zu machen. Zum Nutzen der Umwelt wird hierdurch die Aufheizung der Luft und des Kühlwassers aus den Flüssen reduziert.

Ein weiteres Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie ist in Fig. 3 beschrieben. Während nach Fig. 2 der Vorteil des Verfahrens, in der indirekten Abführung der Kondensationswärme aus dem Kreisprozeß III an den Leicht sieder in der Prozeßschlaufe I liegt, so wird bei dem Verfahren nach Fig. 3 die Entspannungsturbine zur Stromerzeu gung direkt mit dem Dampf des Stoff I in der unteren Prozeßschlaufe I betrieben.

Nach Fig. 3 ist hierzu in die Leitung 11 eine Speisepumpe 70 zur Druckerhöhung und ein anschließender Wärmetauscher 71 zur Kondensatvorwärmung eingebaut. Nach dem Verdampfer 12, 13, 14 ist in die Leitung 19 zum Waschkondensator 1 ein Wärmeaus tauscher 72 zur Erzeugung von überhitztem Dampf mit der anschließenden Entspannungsmaschine 73, 74 mit dem zugehörigen Generator 76 eingebaut.

Die Entspannungsmaschine ist hier 2stufig als Hochdruckma schine 73 und Niederdruckmaschine 74 mit einem Wärmetauscher 75 zur Zwischenüberhitzung dargestellt.

Diese Prozeßführung nach Fig. 3 hat den Vorteil, daß das Temperaturniveau der Arbeitsmaschine 73, 74 bei einem Betrieb mit NH₃ tiefer liegt als bei dem Kreisprozeß III nach Fig. 2, der mit Wasserdampf betrieben wird. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit nicht nur die Kondensationswärme des Prozeßdampfes wiederzugewinnen und nochmals zur Verdampfung des Prozeßdamp fes zu nutzen, sondern auch die Wärme zur Überhitzung des Stoffes I aus dem vorhandenen Wärme- und Abwärmepotential mittels einem Verfahren nach Anspruch 1 bereitzustellen. Die Prozeßführung nach Fig. 3 ermöglicht somit eine Umwandlung von Abwärmepotential in Arbeit oder in elektrische Energie.

Weiter ist es möglich, die Wärme zur Vorwärmung des Kondensa tes bei einem Betrieb mit NH₃ als Stoff I zumindest teilweise aus der Umgebung im Wärmetauscher 71 zuzuführen.

Das Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie aus dem vorhandenen Wärmepotential sei nun anhand von Fig. 3 und dem Beispiel III beschrieben. Im Beispiel III sind wieder die idealen Stoffe NH₃/H₂O als Arbeitsstoffe verwendet.

Die Betriebspunkte der unteren Prozeßschlaufe I mit NH₃ als dem Leichtsieder können näherungsweise auch mit einem Kreis prozeß beschrieben werden. In Analogie zu den Kreisprozessen der Kältemaschinen ist in Fig. 4 ein theoretischer Kreisprozeß in einem log p-h Diagramm für NH₃ eingezeichnet.

Das Diagramm für NH₃ wurde von U. Pfeiffenberger am Institut für angewandte Thermodynamik und Klimatechnik, Universität Essen, berechnet.

In Fig. 4 ist über dem Wärmeinhalt h der Druck p in loga rithmischem Maßstab aufgetragen. Links der Kurve 1-3 liegt das Gebiet reiner Flüssigkeit, zwischen 1-3 und der Kurve 8-4 ist Mischgebiet, rechts von 8-4 ist das Gebiet mit überhitztem Dampf.

In dem Diagramm bedeuten,
1-2 die Verdichtung des flüssigen Stoff I (NH₃) nach dem Waschkondensator 1 in der Speisepumpe 70,
2-3 die Kondensatvorwärmung von -50°C auf +50°C im Wärmetauscher 71,
3-4 ist die Verdampfung im log p-h Diagramm; nach Fig. 3 ist es die Ausdampfung von Stoff I in den Verdampfern 12, 13, 14.
4-5 ist die Überhitzung des dampfförmigen Stoff I im Wärmetauscher 72 auf 150°C bei dem Druck von 20 ata.
5-6 ist die Entspannung in der 1. Stufe, hier als Hochdruckstufe 73 bezeichnet, von 20 ata auf 2,5 ata.
6-7 ist eine Zwischenüberhitzung von -10°C auf 80°C im Wärmetauscher 75.
7-8 ist die Entspannung des Dampfes in der 2. Stufe hier als Niederdruckstufe 74 bezeichnet.
8-1 ist die Kondensation im log p-h Diagramm, nach Fig. 3 ist es die Kondensation des dampförmigen Stoffes I im Waschkondensator 1.

Das Diagramm nach Fig. 4 ist beginnend mit der Kondensation im Punkt 8 bis zum Ende der Verdampfung bei 4 nicht identisch mit den tatsächlichen Verdampfungsbedingungen. Speziell die Destillation von Stoff I in den Verdampferstufen 12, 13, 14 verläuft in der 3. Stufe 14 bei 50% NH₃ nicht bei 50°C sondern bei 90°C. D. h. die erzeugte Wärme zur Beheizung des Verdampfers 14 muß auf einem Niveau < 109°C vorhanden sein.

In diesen Verdampfern wird der Stoff I als reine Komponente erzeugt, sodaß die Prozeßschritte 4-8 des Diagramms mit den tatsächlichen Bedingungen in dem erfindungsgemäßen Verfahren vergleichbar sind.

In dem Beispiel III wurde eine 2stufige Entspannung mit Zwischenüberhitzung gewählt. Dies hat den Vorteil, daß im Punkt 5 bei 150°C die maximale Überhitzungstemperatur erreicht wird. Diese Wärme kann, wie Beispiel II gezeigt hat, auch mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bereitgestellt wer den.

Nach der Hochdruckstufe 73 mit der Entspannung entlang der Linie 5-6 wird der Dampf nochmals mit verfügbarer Wärme von ca. -10°C auf 80°C überhitzt und anschließend in der Nieder druckstufe 74 entlang der Linie 7-8 auf 0,4 ata entspannt.

Eine 1stufige Entspannung des Dampfes, nach einer höheren Überhitzung über den Punkt 5 in Fig. 4 nach rechts hinaus, ist natürlich auch möglich und apparativ einfacher. Dies hat aber den Nachteil, daß ein Teil des Wärmebedarfes und zwar zur Überhitzung von 150°C auf 250°C wegen des höheren Niveau zumindest in Beispiel III durch Primärenergie zu decken ist.

Aus dem Beispiel III ist weiter ersichtlich, daß in dem theoretischen Kreisprozeß nach Fig. 4 480 kcal/kg NH₃ als Abfallwärme einzubringen sind und insgesamt 142 kcal/kg-NH₃ als Arbeit zu gewinnen sind.

Diese Abfallwärme ist von außen z. B. aus der Umgebung über Wärmetauscher in den Prozeß zu übertragen.

Im folgenden wird nun die Erzeugung der Wärme bei 150°C beschrieben. Nach Fig. 3 wird der entspannte Dampf des Stoff I (NH3₃) aus der Niederdruckstufe 74 dem Waschkondensator 1 zugeführt und in diesem kondensiert. Bei dem Betriebsdruck von 0,4 ata kann die Kondensationswärme in der oberen Prozeß schlaufe II durch Kondensation des Dampfes in der Leitung 31 bei über 70°C gewonnen werden. Dieses Temperaturniveau ist noch nicht ausreichend, um die Verdampfer 12, 13, 14 im Hoch druckteil der Prozeßschlaufe I zu beheizen. Hier wird, wie oben erwähnt, eine Kondensationstemperatur von über 109°C für die Verdampfer und von ca. 169°C für den Überhitzer 72 benötigt.

Erfindungsgemäß kann die nach Fig. 3 in der oberen Prozeß schlaufe II bei ca. 70°C verfügbare Wärme mit einer weiteren Wärmepumpenanlage nach Fig. 2, nämlich der unteren Prozeß schlaufe I mit NH₃ als Stoff I und der oberen Prozeßschlaufe II mit H₂O als Stoff II auf eine Temperatur von über 169°C bei einem Druck von 8 ata angehoben werden.

Diese zweite aufgeschaltete Wärmepumpe ist in Fig. 3 darge stellt. Zur Erreichung einer besseren Übersichtlichkeit sind aber alle Prozeßschlaufen mit Ausnahme der in Fig. 4 beschrie benen Prozeßschlaufe I von 0,4 ata vereinfacht dargestellt.

Der dampfförmige Stoff II, Wasserdampf, strömt also über die Leitung 31 in die mehrstufige Aufbereitung 79. In einem nicht gezeigten Kondensator, vergleichbar mit den Verdampfern 27, 29, 15 gibt er seine Kondensationswärme indirekt an den Leichtsieder in der Leitung 78 eines Prozesses, der mit höherem Druck arbeitet, ab. Dieser Prozeß ist im Zusammenhang mit der Beschreibung von Fig. 2 bei 8 ata beschrieben.

Arbeitet der untere Prozeß nach Beispiel III mit einem Betriebsdruck von 0,4 ata, so arbeitet der 2., aufgesetzte Prozeß bei 8 ata. Die Stufe 79 ist also stellvertretend für den bekannten Kondensator, die Destillation und die Druckerhö hung in der Leitung 31 und 77.

Die Stufe 79 umfaßt auch die mehrstufige Verdampfung des Kondensates in der Leitung 78 und die Sammelleitung für das dampfförmige Destillat, hier NH₃ bei 8 ata, zur Aufgabe über die Leitung 80 in den Waschkondensator 81. Im Waschkondensator 81 wird der Stoff I (NH₃) kondensiert und Stoff II (Wasserdampf) bei 169°C und 8 ata aus diesem abgezogen.

Dieser Dampf ist nun Wärmeträger in der Leitung 82 zu den Wärmetauschern 27, 29, 15 und 72, 75. Zu dem Überhitzer 72 ist die Rohrleitungsführung mit Pfeilen angedeutet. Die Rückfüh rung des Kondensates in den oberen Prozeß erfolgt über die Leitung 83. Die notwendige Aufbereitung, d. h. die Destillation des Leichtsieders (NH₃) und die Überhitzung des Kondensates sind in dem oberen Prozeß mit 85 vereinfacht dargestellt. Die Rückführung des Stoff II als Waschflüssigkeit erfolgt über die Leitung 84 zum Waschkondensator 81.

Die Wärmebilanz in Beispiel III zeigt, 142 kcal werden als Arbeit gewonnen und damit dem Prozeß entzogen. Die gleiche Energie ist in Form von Wärme dem theoretischen Kreisprozeß nach Fig. 4 zuzuführen. Die Kondensationswärme von 338 kcal/kg wird nach dem Waschkondensator 81 wieder verfügbar. Bei der Kondensatvorwärmung entsprechend der Kurve 2-3 nach Fig. 4 können 50 kcal/kg zur Vorwärmung von -50°C auf 0°C aus der Umgebung entnommen werden. Dem Kreisprozeß nach Fig. 4 sind deshalb 92 kcal/kg zusätzlich an Wärme zuzuführen. Diese Wärmeenergie kann wegen der tiefen Temperaturen des Kondensa tes in der Leitung 11 aus der Umgebung entnommen werden.

Für diesen Fall ist in Fig. 3 mit dem Pfeil 85 angedeutet, daß ca. 20% der Flüssigkeit bei 85 und 0,4 ata entnommen werden und in einer nicht gezeigten Verdampferstation, vergleichbar den Stufen 12, 13, 14 behandelt werden. Die Beheizung der zugehörigen Wärmetauscher ist in Fig. 1 gezeigt. Hier wird über die Leitung 47 und 48 eine Kühlsole zu den Wärmetauschern 27, 29, 15 zu- und abgeführt. Die Rückführung des erzeugten dampfförmigen Leichtsieders als Wärmeträger ist in Fig. 3 mit 86 angedeutet.

In jeder der 4 Prozeßschlaufen die in Fig. 3 dargestellt sind, ist, wie vorher erwähnt, die Destillation des Leichtsieders NH₃ aus der Flüssigphase Voraussetzung. Mit den Pfeilen 87, 88, 89, 90 ist der Abzug der Abschlämmung aus jeder der 4 Prozeßschlaufen angedeutet. Ebenso ist mit den Pfeilen 91 und 92 die Ergänzung des Schwersieders Wasser aus der Leitung 50 angegeben. Die Pfeile 93-96 kennzeichnen die Zufuhr von flüssigem Leichtsieder NH₃ aus Leitung 20 in die 4 Prozeß schlaufen. Hier wird er jeweils am Kopf der Kolonnen als Rücklauf zur Verbesserung der Reinheit des Destillates benö tigt.

Die Leitung 30 mit der Abschlämmung führt zu der zentralen Station mit der Rektifikation 97. Nach Beispiel III liegt die Konzentration des Gemisches bei 50% NH₃. Wegen der großen Flüchtigkeit von NH₃ kann die Trennung der Stoffe in der Rektifikation 97 leicht ausgeführt werden.

Z. B. kann der Betrieb der Kolonne bei 1 atm erfolgen, dann ist der Kolonnensumpf im Wärmetauscher 98 bei 100°C zu beheizen und das Kopfprodukt NH₃ im Kondensator 99 bei -30°C zu verflüssigen. Die Wärmeenergie für den Wärmetauscher 98 im Kolonnensumpf und vor allem die Kälteenergie für den Kondensator 99 können jeweils mit einer Wärmepumpe nach dem erfindungsge mäßen Verfahren erzeugt werden.

In dem Behälter 100 kann reiner Leichtsieder (NH₃) und im Behälter 101 kann reiner Schwersieder (H₂O) gespeichert wer den. Aus dem Behälter 100 erfolgt auch über die Leitung 102 die flüssige Aufgabe des Rücklaufes in den Kolonnenkopf der Rektifikation 97.

Die Beschreibung des Verfahren nach Fig. 1 hat gezeigt, daß es damit möglich ist, Kälte zu erzeugen und gleichzeitg das Wärmepotential bei Umgebungstemperatur mit geringem Ener gieaufwand in nutzbare Wärme umzuwandeln.

Die Beschreibung des Verfahren nach Fig. 2 zeigt, daß es bei einer Kombination der Wärmepumpe mit einem Rankine Prozeß möglich ist, die Kondensationswärme auf erhöhtem Temperaturni veau erneut in den Rankine Prozeß einzubringen. In dem Rankine Prozeß muß als Primärenergie nur die Wärme zur Überhitzung des Prozeßdampfes eingebracht werden. Damit kann die Energieum wandlung bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen in elektrische Energie verbessert werden.

Die Beschreibung des Verfahrens im Zusammenhang mit der Fig. 3 hat gezeigt, daß es mit der Erfindung möglich ist, auch ein Energiepotential bei Umgebungstemperatur in elektrische Ener gie umzuwandeln. Gegenüber der bekannten Technik zur Nutzung von Sonnenenergie hat dies den Vorteil, daß die Sonnenenergie auch, in der Umgebung gespeichert, indirekt während der Nacht unabhängig von der Sonnenscheindauer genutzt werden kann.

Beispiel I

Beispiel I - Fortsetzung

Beispiel II

weitere Primärenergieverbraucher sind:

Der Energiebedarf in der zentralen Station zur Rektifikation unter b) und c) kann über eine separate Wärmepumpe abgedeckt werden.

Beispiel III

Primärenergieverbraucher sind:

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung von Kälte und zur Umwandlung des Energiepotential aus der Umwelt und aus technischen oder biologischen Prozessen in nutzbare Wärme und Energie durch die Verwendung einer Wärmepumpe, dadurch gekennzeichnet, daß

- als Wärmepumpe ein Waschkondensator eingesetzt wird, dem der tiefersiedende Stoff (Stoff I) dampfförmig als Wärmeträger zugeführt wird und dem der höhersiedende Stoff (Stoff II) als Waschflüssigkeit zugeführt wird, wobei Stoff I und II sich ideal verhalten,
- der Wärmeträger als dampfförmiger Stoff I nacheinander in der Flüssigphase des Waschkondensator durch Absorption kondensiert, seine Kondensationswärme freisetzt, als Kondensat aus dem Waschkondensator abgezogen wird, anschließend durch Aufnahme von Wärmeenergie oder Abwärme aus der Waschflüssigkeit destil lativ getrennt wird, als Wärmeträger erneut dampfförmig dem Waschkondensator zugeführt wird,
- und die Waschflüssigkeit als Stoff II nacheinander durch Aufnahme der Kondensationswärme von Stoff I aus der Flüssig phase durch Desorption ausdampft, als Dampf aus dem Waschkon densator abgezogen wird, in einer mehrstufigen Aufbereitung zunächst durch Abführen der Kondensationswärme verflüssigt wird und nach Destillation des Stoff I aus der Flüssigkeit erneut als Waschflüssigkeit in den Waschkondensator aufgegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die außerhalb des Waschkondensator liegenden Behand lungsstufen für den Stoff I und den Stoff II um den Waschkon densator durch den tiefersiedenden Stoff I eine untere Pro zeßschlaufe I gebildet und durch den höhersiedenden Stoff II eine obere Prozeßschlaufe II gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß daß die Destillation von Stoff I in der Prozeßschlaufe I in mehreren Stufen erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Sumpfprodukt nach der vorletzten Stufe zur Destillation aus der Prozeßschlaufe I abgezogen wird und in einer zentralen Station mittels Destillation/Rektifikation in seine Komponenten Stoff I und Stoff II getrennt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der nach Anspruch 4 mit dem Sumpfprodukt aus der Prozeßschlaufe I abgezogene Stoff I in diese wieder zugeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr von Stoff I in die Prozeßschlaufe I flüssig am Kolonnenkopf der mehrstufigen Destillation/Rektifikation erfolgt zur Erzielung einer besseren Trennwirkung und/oder dampfförmig nach der mehrstufigen Destillation/Rektifikation erfolgt zur Ausnutzung des Wärmeinhaltes von Stoff I im Waschkondensator.

7. Verfahren nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Prozeßschlaufe II die Abfuhr der Nutzwärme und die Verflüssigung von Stoff II in einem indirekten Kondensator erfolgen.

8. Verfahren nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Prozeßschlaufe II die Abtrennung von Stoff I aus dem Kondensat in einer Destillations- oder Rektifikationskolonne erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Trennkolonne der Prozeßschlaufe II am Kolonnenkopf als Rücklauf flüssiger Stoff I aufgegeben wird, um eine konstante Destillatkonzentration zu erlangen.

10. Verfahren nach Anspruch 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß das nach Anspruch 8 und 9 anfallende Destillat der zentralen Station nach Anspruch 4 zugeführt wird und dort zusammen mit dem Sumpfprodukt aus der Prozeßschlaufe I in seine Komponenten Stoff I und Stoff II zerlegt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß in der Prozeßschlaufe II nach der Destillation der Stoff II bei erhöhtem Druck durch direkte oder indirekte Wärmezufuhr auf Siedebedingungen gebracht wird und anschließend über ein Regel ventil erneut in den Waschkondensator gegeben wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß in der Prozeßschlaufe II durch Vorschalten einer Speisepumpe die Destillationskolonne bei erhöhtem Druck betrieben wird und der Stoff II aus der Destillation direkt über ein Regelventil in den Waschkondensator gegeben wird.

13. Verfahren nach Anspruch 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Station nach Anspruch 4 auch die Trennung von Gemischen aus anderen dezentralen Prozessen gemäß dem Haupt anspruch verarbeitet.

14. Verfahren nach Anspruch 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennkolonne in der zentralen Station mit anfallender Abwärme oder Überschußwärme betrieben wird und die zentrale Station durch die flüssige Lagerung der reinen Stoffe I und II in Lagertanks als Energiespeicher arbeitet.

15. Verfahren nach Anspruch 1-14, dadurch gekennzeichnet, daß auch Komponenten der Prozeßschlaufe I und/oder der Prozeß schlaufe II zentral, entfernt von dem Waschkondensator aufge stellt werden.

16. Verfahren nach Anspruch 1-15, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Station über Fernversorgungsleitungen mit den dezentralen Anlagen verbunden ist.

17. Verfahren nach Anspruch 1-16, dadurch gekennzeichnet, daß Energie aus der zentralen Station über Fernversorgungsleitungen mittels der flüssigen Phase der Stoffe I und II oder als kalter Dampf von Stoff I übertragen wird.

18. Verfahren nach Anspruch 1-17, dadurch gekennzeichnet, daß die nach Anspruch 3 in der Prozeßschlaufe I aufgenommene Wärme eine abzuführende Wärme ist und somit Kälte in nutzbare Wärme umgewandelt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 1-18, dadurch gekennzeichnet, daß die nach Anspruch 3 in der Prozeßschlaufe I aufgenommene Wärme eine Überschußwärme ist und somit Abwärme in nutzbare Wärme umgewandelt wird.

20. Verfahren nach Anspruch 1-19, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Verfahren zur Erzeugung von Nutzwärme nach Anspruch 19 das nach dem Waschkondensator anfallende Kondensat von Stoff I auch den Verdampfer eines Kühlschrankes oder einer Kältekam mer zur Erzeugung von Kälte kühlt.

21. Verfahren nach Anspruch 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem mehrstufigen Wärmetauscher in der Prozeßschlaufe I die Kondensatoren des Rankine Prozesses eines Kondensationskraft werkes gekühlt werden und dadurch die Kondensationswärme in nutzbare Wärme umgewandelt wird.

22. Verfahren nach Anspruch 1-21, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer des Rankine Prozesses aus dem Kondensator in der Prozeßschlaufe II beheizt wird.

23. Verfahren nach Anspruch 1-22, dadurch gekennzeichnet, daß mit Primärenergie z. B. aus der Verbrennung fossiler Brenn stoffe, der Überhitzer im Rankineprozeß und die Destillations stufe in der Prozeßschlaufe II und/oder die zentrale Trennstufe versorgt werden.

24. Verfahren nach Anspruch 1-20, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Energie in einem Prozeß mit einer Prozeßschlaufe erzeugt wird und die Rückgewinnung der Kondensationswärme durch direkte Kondensation im Waschkondensator erfolgt.

25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß in der Prozeßschlaufe I

- durch den Einbau einer Speisepumpe nach dem Waschkondensator der mehrstufige Verdampfer auf erhöhtem Druck betrieben wird,
- der dampfförmige Stoff I nach dem mehrstufigen Verdampfer durch den Einbau eines Wärmetauschers überhitzt wird,
- der überhitzte, dampfförmige Stoff I durch den Einbau einer Entspannungsmaschine auf den Ausgangsdruck entspannt wird
- und die Prozeßschlaufe I mit der Aufgabe des entspannten Stoff I in den Waschkondensator geschlossen wird.

26. Verfahren nach Anspruch 24 u. 25, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Wärmetauscher nach der Speisepumpe das Kondensat des Stoff I vorgewärmt wird.

27. Verfahren nach Anspruch 24-26, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannungsmaschine einen Generator antreibt.

28. Verfahren nach Anspruch 24-27, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Einbau einer 2stufigen Entspannungsmaschine mit Zwischenüberhitzung die Erzeugung von elektrischer Energie bei tieferem Temperaturniveau durchgeführt wird.

29. Verfahren nach Anspruch 24-28, dadurch gekennzeichnet, daß in der Prozeßschlaufe I parallel zu der Installation nach Anspruch 24/25 eine weitere Installation mit Verdampfern auf dem Druckniveau des Waschkondensator installiert wird, diese Verdampfer mit Abwärme oder Wärme aus der Umgebung beheizt werden und hierdurch das Wärmeäquivalent, das durch die Erzeugung von elektrischer Energie aus der Prozeßschlaufe I abgeführt wird, unmittelbar in der Prozeßschlaufe I ergänzt wird oder dieses Wärmeäquivalent aus einer separaten Installation nach Anspruch 1 aus der Umgebung gewonnen und dieses Wärmeäquivalent indirekt übertragen wird.

30. Verfahren nach Anspruch 24-28, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme zur Verdampfung des Stoff I und/oder zur Überhitzung desselben aus dem Kondensator der Prozeßschlaufe II übertragen wird.

31. Verfahren nach Anspruch 24-29, dadurch gekennzeichnet, daß das notwendige Temperaturniveau in der Prozeßschlaufe II zur Übertragung der Prozeßwärme nach Anspruch 30 in die Prozeßschlaufe I durch Aufeinanderschalten von mehreren Wärme pumpenverfahren gemäß Anspruch 1 erreicht wird und die Wärme aus dem obersten Wärmepumpenverfahren in die Prozeßschlaufe I übertragen wird.

32. Anlage zur Umwandlung von Abwärme in nutzbare Wärme, nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß

- zur Übertragung der Wärme von einem dampfförmigen Leichtsie der, Stoff I, auf einen Schwersieder, Stoff II, ein Waschkon densator das Mittelteil der Anlage bildet,
- durch die mehrstufige Destillations-Einrichtung, zur simulta nen Einspeisung der Abwärme und zur Destillation des Stoff I aus dem Kondensat, mit den verbindenden Rohrleitungen zu und von dem Waschkondensator an dem Waschkondensator unten eine untere Prozeßschlaufe installiert wird,
- und durch die mehrstufige Behandlung des Stoff II mit Kondensator, Destillations-Kolonne, Waschflüssigkeitsaufheizer und den zugehörigen, verbindenden Rohrleitungen an dem Wasch kondensator oben eine obere Prozeßschlaufe installiert wird.

33. Anlage zur Umwandlung von Wärme in Arbeit oder elektrische Energie, dadurch gekennzeichnet, daß

- in die Rohrleitung der Anlage nach Anspruch 32 in der unteren Prozeßschlaufe nach dem Waschkondensator eine Speisepumpe zur Druckerhöhung installiert ist,
- zur Überhitzung des dampfförmigen Stoff I nach der Destilla tions-Einrichtung ein indirekter Wärmetauscher installiert ist,
- zur Entspannung des Stoff I auf das Druckniveau im Waschkon densator eine Entspannungsmaschine mit möglicher Zwischenüber hitzung installiert ist,
- und bei Bedarf die Entspannungsmaschine an der Welle mit einem Generator gekoppelt ist.

34. Anlage nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß in die Rohrleitung nach der Speisepumpe ein Wärmetauscher zur Kondensatvorwärmung installiert ist.