DE602004011087T2 - Energierückgewinnungssystem - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Energieverbrauch in unterschiedlichen Industrien und bezieht sich insbesondere auf ein Energierückgewinnungssystem.
  • Es gibt viele herkömmliche Techniken zum Erzeugen (elektrischer) Energie; die meisten umfassen typischerweise das Verbrennen eines Brennstoffs (beispielsweise Kohle, Erdgas), der letztendlich nur in begrenztem Maße vorliegt.
  • Außerdem sind zahlreiche Energieumwandlungstechniken beschrieben worden. Beispielsweise offenbart die US-A-4,896,509 ein Verfahren zum Umwandeln thermischer Energie in mechanische Energie in einem Rankine-Kreisprozess. Hierbei wird ein Kreisprozess wiederholt, der folgende Schritte umfasst: Verdampfung eines Arbeitsfluids mit einer heißen Wärmequelle (beispielsweise heißes Wasser aus einem Heizkessel, der typischerweise zur Produktion von Wasserdampf verwendet wird), Expandieren des sich ergebenden Dampfes in einer Expansionsvorrichtung (rotierende oder hin und her gehende Verschiebungsvorrichtung, beispielsweise eine Turbine), Abkühlen des Dampfes mit einer kalten Wärmequelle (beispielsweise kaltes Wasser), um es zu kondensieren (beispielsweise unter Verwendung von Kondensatoren, die typischerweise in Kühlvorrichtungen eingesetzt werden) und Komprimieren mit Hilfe mit einer Pumpe. Solche Systeme verwenden aber typischerweise eine Verbrennung für den Siedevorgang.
  • Außerdem sind bei verfügbaren Rankine-Kreisprozesssystemen typischerweise Großanlagen ein Problem, die im Multimegawattbereich arbeiten und nicht dazu geeignet sind, Energie in kleinerem Rahmen aus relativ nieder temperierten Quellen, wie heißem Abfallfluid aus kleinen industriellen Installationen, Automobilverbrennungskraftmaschinen und dergleichen, zu extrahieren.
  • US-A-2002/047267 beschreibt die Erzeugung von Energie aus einer Wärmequelle mit Hilfe eines Zwischenfluides.
  • US-A-3,234,735 beschreibt ein Kraftwerk, das eine Dampfturbine aufweist.
  • Es besteht das Bedürfnis für ein Energierückgewinnungssystem, dass die oben genannten Probleme überwindet und ein verbessertes Rückgewinnungssystem schafft.
  • Die vorliegende Erfindung liefert ein Energierückgewinnungssystem für die Extraktion von Energie aus einer Abwärmequelle, wobei das System ein geschlossenes System mit einem zirkulierenden Arbeitsfluid ist, mit: einem ersten Wärmetauscher zur Aufnahme von Quellenfluid, dass die Abwärme aufweist, bei einer ersten Temperatur und zur Ausgabe des Abfallfluides bei einer zweiten Temperatur, sowie zur Aufnahme des Arbeitsfluides bei einer dritten Temperatur und zur Abgabe des Arbeitsfluides bei einer vierten Temperatur, wobei die vierte Temperatur höher ist als die dritte Temperatur und höher als der Siedepunkt des Arbeitsfluides; einer Turbineneinheit, die so angeordnet ist, dass sie das von dem ersten Wärmetauscher mit einem ersten Druck ausgegebene Arbeitsfluid aufnimmt und das Arbeitsfluid mit einem zweiten Druck ausgibt, wobei der zweite Druck niedriger ist als der erste Druck, wodurch die Turbineneinheit eine Rotationsenergie auf eine Turbinenwelle überträgt, die an einem Lager in der Turbineneinheit angebracht ist; einer elektromechanischen Umwandlungseinheit, die mit der Turbinenwelle gekoppelt ist, um die Rotationsenergie in elektrische Energie umzuwandeln; und einem Kühlsystem, das mit der Turbineneinheit und dem ersten Wärmetauscher gekoppelt ist, um das Arbeitsfluid von der Turbineneinheit bei einer fünften Temperatur aufzunehmen, das Fluid zu kühlen und das Fluid dem ersten Wärmetauscher mit der dritten Temperatur zuzuführen, wobei das Kühlsystem folgende Elemente aufweist: einen zweiten Wärmetauscher, der mit der Turbineneinheit und dem ersten Wärmetauscher gekoppelt ist, um eine erste Zufuhr des Arbeitsfluids von der Turbineneinheit bei einer fünften Temperatur aufzunehmen und das Arbeitsfluid von der ersten Zufuhr bei einer sechsten Temperatur auszugeben, wobei die sechste Temperatur niedriger ist als die fünfte Temperatur, wobei der zweite Wärmetauscher dazu ausgestaltet ist, eine zweite Zufuhr von Arbeitsfluid in flüssiger Form bei einer siebten Temperatur aufzunehmen und das Arbeitsfluid von der zweiten Zufuhr des Fluides bei der dritten Temperatur zu dem ersten Wärmetauscher auszugeben; eine Kondensationseinheit, die mit dem zweiten Wärmetauscher gekoppelt und dazu ausgestaltet ist, eine Zufuhr von Kühlfluid aufzunehmen, um das Arbeitsfluid, das von dem zweiten Wärmetauscher bei der sechsten Temperatur ausgegeben wird, aufzunehmen und das Arbeitsfluid in flüssiger Form bei der siebten Temperatur auszugeben, wobei die siebte Temperatur niedriger ist als die sechste Temperatur und niedriger als der Siedepunkt des Arbeitsfluides; und eine Pumpe, die mit der Kondensationseinheit gekoppelt ist, um das flüssige Arbeitsfluid bei der siebten Temperatur aufzunehmen und das flüssige Arbeitsfluid zu dem zweiten Wärmetauscher zu pumpen, wodurch die zweite Zufuhr des Arbeitsfluides zu dem zweiten Wärmetauscher geschaffen wird; und wobei eine Fluidleitung zwischen einem Auslass der Pumpe, die die zweite Zufuhr des Arbeitsfluides liefert, und dem Lager angeschlossen ist, wodurch eine Schmierung des Lagers durch einen Teil des flüssigen Arbeitsfluides erreicht wird, das von der zweiten Zufuhr getrennt ist.
  • Bei einer Ausführungsform beträgt die erste Temperatur 110 bis 225°C. Bei einer Ausführungsform beträgt die zweite Temperatur 80 bis 140°C. Bei einer Ausführungsform beträgt die erste Temperatur etwa 180°C und die zweite Temperatur beträgt etwa 123°C. Bei einer Ausführungsform beträgt der erste Druck 10 × 105 bis 30 × 105 N/m2 (10 bis 30 bar) absolut. Bei einer Ausführungsform beträgt der zweite Druck 0,5 × 105 bis 2 × 105 N/m2 (0,5 bis 2 bar) absolut.
  • Vorzugsweise weist das Arbeitsfluid eine einzelne Komponente auf, die aus den Alkanen ausgewählt ist. Vorzugsweise weist das Arbeitsfluid ein Fluid mit einem Siedepunkt von 30 bis 110°C auf.
  • Vorzugsweise umfasst die elektromechanische Umwandlungseinheit einen Generator, der dazu ausgestaltet ist, elektrischen Strom auszugeben. Vorzugsweise umfasst die elektromechanische Umwandlungseinheit eine elektrische oder elektronische Konditionierungseinheit, die mit dem Generator gekoppelt ist, um die Frequenz des von dem Generator empfangenen Stromes zu ändern und Strom mit Netzfrequenz auszugeben. Vorzugsweise ist der Generator ein Hochgeschwindigkeitsgenerator.
  • In bevorzugten Ausführungsformen weist die Turbineneinheit wenigstens eine Turbinenstufe auf, die an der Turbinenwelle angebracht ist, wobei die oder jede Turbinenstufe eine Gruppe von Leitschaufeln aufweist. Die wenigstens eine Turbinenstufe kann aus Aluminium oder Stahl hergestellt sein. Bei bestimmten Ausführungsformen ist die wenigstens eine Turbinenstufe aus Kunststoffmaterial hergestellt. Das Kunststoffmaterial kann (a) Polyetheretherketon (PEEK) mit Kohlenstofffasern, beispielsweise PEEK mit 40% Kohlenstofffasern, (b) Ultern 2400 oder (c) Valox 865 sein.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird die Verwendung von HFE-7100 oder Hexan oder Wasser als Arbeitsfluid in dem System der Erfindung vorgeschlagen.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird die Verwendung eines der Alkane als Arbeitsfluid in den Systemen der Erfindung vorgeschlagen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein System zur Erzeugung elektrischer Energie vorgeschlagen, mit: einem Mikroturbinensystem, wobei das Mikroturbinensystem folgende Elemente aufweist: eine Verbrennungseinheit, die mit einer Brennstoffquelle gekoppelt ist, um den Brennstoff zu verbrennen und ein erstes Abgasfluid auszugeben, eine zweite Turbineneinheit, die zur Aufnahme des ersten Abgasfluides angeschlossen ist, wodurch bei der Verwendung Rotationsenergie an eine zweite Turbinenwelle der zweiten Turbineneinheit weitergegeben wird, wobei die zweite Turbineneinheit dazu ausgestaltet ist, ein zweites Abgasfluid auszugeben; eine Zwischenwärmeübertragungseinheit, die zur Aufnahme des zweiten Abgasfluides angeschlossen und dazu ausgestaltet ist, eine Wärmeübertragung von dem zweiten Abgasfluid zu einem Zwischenwärmeübertragungsfluid durchzuführen und das Zwischenwärmeübertragungsfluid nach der Wärmeübertragung auszugeben, und ein Energierückgewinnungssystem gemäß der Erfindung, wobei das Energieumwandlungssystem den ersten Wärmetauscher aufweist, der zur Aufnahme des Zwischenwärmeübertragungsfluides angeschlossen ist, wobei das Zwischenwärmeübertragungsfluid das Quellenfluid bildet.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein System zur Erzeugung elektrischer Energie vorgeschlagen mit: einem System mit innerer Verbrennung, wobei das System mit innerer Verbrennung folgende Elemente aufweist: eine Verbrennungskraftmaschine, die mit einer Brennstoffquelle verbunden ist, um den Brennstoff zu verbrennen und ein Motorabgasfluid auszugeben, wobei die Verbrennungskraftmaschine so angeordnet ist, dass bei der Verwendung Rotationsenergie auf eine Antriebswelle übertragen wird, eine Zwischenwärmeübertragungseinheit, die zur Aufnahme des Motorabgasfluides angeschlossen und dazu ausgestaltet ist, eine Wärmeübertragung von dem Motorabgasfluid zu einem Zwischenwärmeübertragungsfluid durchzuführen und das Zwischenwärmeübertragungsfluid nach der Wärmeübertragung auszugeben, und ein Energierückgewinnungssystem gemäß der Erfindung, wobei das Energieumwandlungssystem den ersten Wärmetauscher aufweist, der zur Aufnahme des Zwischenwärmeübertragungsfluides angeschlossen ist, wobei das Zwischenwärmeübertragungsfluid das Quellenfluid bildet.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein System zur Erzeugung elektrischer Energie vorgeschlagen mit: einem Abgasabfuhrkamin, wobei der Abgasabfuhrkamin folgende Elemente aufweist: eine Basisstufe, wobei die Basisstufe ein Gebläse zum Blasen von Sauerstoff enthaltendem Gas in den Abgasabfuhrkamin aufweist, eine Verbrennungsstufe angrenzend an die Basisstufe, die mit einer Abgasquelle gekoppelt ist, wobei das Abgas ein brennbares Gas ist oder aufweist, wobei die Verbrennungsstufe dazu ausgestaltet ist, bei der Verwendung des Abgases in dem Sauerstoff enthaltenden Gas zu verbrennen, eine Mischstufe angrenzend an die Verbrennungsstufe, die dazu ausgestaltet ist, eine Mischung von Gasen zu erzeugen, die Luft gemischt mit den aus der Verbrennungsstufe hervorgehenden Brennkammergasen aufweist, eine Zwischenwärmeübertragungseinheit, die zur Aufnahme der Gasmischung angeschlossen und dazu ausgestaltet ist, eine Wärmeübertragung von der Gasmischung auf ein Zwischenwärmeübertragungsfluid durchzuführen und das Zwischenwärmeübertragungsfluid nach der Wärmeübertragung auszugeben, und ein Energierückgewinnungssystem gemäß der Erfindung, wobei das Energieumwandlungssystem den ersten Wärmetauscher aufweist, der zur Aufnahme des Zwischenwärmeübertragungsfluides angeschlossen ist, wobei das Zwischenwärmeübertragungsfluid das Quellenfluid bildet.
  • Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass sie ein Energierückgewinnungssystem zur Verfügung stellt, das einen kompakten Maßstab aufweist. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass es in der Lage ist, Energie aus Quellen mit relativ niedriger Temperatur zu extrahieren. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass es Energie mit akzeptablem Wirkungsgrad aus Wärmequellen rückgewinnen kann, die andernfalls verschwendet würden, oder aus erneuerbaren Quellen und/oder dass es die Menge an elektrischer Energie, die in dem Energieerzeugungssystem generiert wird, signifikant erhöht.
  • Turbinendesign
  • Ein weiteres Problem liegt darin, dass während Einzelstufenturbinen mit radialer Strömung bekannt sind, und zweistufige Turbinen mit axialer Strömung bekannt sind, es bisher noch kein zweistufiges Turbinendesign mit radialer Strömung gibt, das in der Lage wäre, bei den in manchen Industrien auftretenden hohen Geschwindigkeiten und extrem hohen Druckunterschieden zu arbeiten. Häufig ist es ein Problem, dass es einer Einzelstufen-Radialturbine nicht möglich ist, bestimmte Druckverluste auszuhalten.
  • Daher wird vorzugsweise eine Turbineneinheit mit radialem Zufluss vorgesehen, mit: einem Gehäuse mit einer Einlassöffnung für die Aufnahme von Fluid mit einem ersten Druck; einer Welle, die an einem Lager innerhalb des Gehäuses angebracht ist und eine Drehachse aufweist; einer Turbine, die auf der Welle angeordnet ist, wobei die Turbine eine erste Turbinenstufe mit einer ersten Serie von Leitschaufeln, die auf der Welle angebracht sind, aufweist, wobei das von dem Einlassanschluss empfangene Fluid radial auf die erste Serie von Leitschaufeln wirkt und die erste Turbinenstufe mit einem dritten Druck und in einer ersten festgelegten Richtung verlässt, eine zweite Turbinenstufe, die eine zweite Serie von Leitschaufeln, welche auf der Welle angebracht sind, aufweist, einen Kanal zur Förderung des aus der ersten Turbinenstufe austretenden Fluides zu der zweiten Turbinenstufe, wobei das von der zweiten Turbinenstufe empfangene Fluid radial auf die zweite Serie von Leitschaufeln wirkt und die zweite Turbinenstufe mit einem zweiten Druck und in einer zweiten festgelegten Richtung verlässt, wobei das Fluid eine Rotationsenergie auf die Welle sowohl in der ersten als auch der zweiten Turbinenstufe ausübt.
  • Vorzugsweise ist der erste Druck etwa 2 bis 10 mal so groß wie der zweite Druck. Vorzugsweise ist der dritte Druck etwa 3 bis 4 mal so groß wie der zweite Druck.
  • Vorzugsweise ist die radiale Dimension der zweiten Turbinenstufe größer als die radiale Dimension der ersten Turbinenstufe. Vorzugsweise ist die radiale Dimension der ersten Turbinenstufe etwa 1,25 mal so groß wie die radiale Dimension der ersten Turbinenstufe. Vorzugsweise ist die axiale Dimension der ersten Turbinenstufe etwa 0,3 bis 0,375 mal so groß wie die radiale Dimension der ersten Turbinenstufe. Vorzugsweise ist die axiale Dimension der zweiten Turbinenstufe etwa 0,35 bis 0,4 mal so groß wie die radiale Dimension der zweiten Turbinenstufe.
  • Bei einer besonderen Ausführungsform umfasst die Turbineneinheit außerdem: eine dritte Turbinenstufe, die eine dritte Serie von Leitschaufeln, welche auf der Welle montiert sind, aufweist, einen Kanal zur Förderung des die zweite Turbinenstufe verlassenden Fluides zu der dritten Turbinenstufe, wobei das Fluid von der dritten Turbinenstufe aufgenommen wird, wobei es radial auf die dritte Serie von Leitschaufeln wirkt und die dritte Turbinenstufe mit einem vierten Druck und in einer dritten festgelegten Richtung verlässt, wobei das Fluid an den ersten, zweiten und dritten Turbinenstufen Rotationsenergie auf die Welle ausübt.
  • Vorzugsweise beträgt die axiale Dimension der dritten Turbinenstufe etwa 1/3 der radialen Dimension der dritten Turbinenstufe.
  • Vorzugsweise sind die ersten, zweiten und/oder dritten vorbestimmten Richtungen im Wesentlichen axial.
  • Bei einer Ausführungsform ist das Fluid ein Gas. Vorzugsweise ist das Fluid HFE-7100 oder Hexan. Das Fluid kann eines der Alkane sein.
  • Ein Vorteil des Turbinendesigns liegt darin, dass es bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten (beispielsweise 25.000 bis etwa 50.000 U/min) verwendbar ist. Ein zusätzlicher Vorteil liegt darin, dass das zweistufige Design einen Druckverlust, der an jeder Stufe auftritt, mit sich bringt, so dass es möglich ist, mit höheren Eingangsdrücken (beispielsweise bis zu 20 bar absolut) zurecht zu kommen.
  • Ein weiterer Vorteil ist, dass ein relativ kompaktes Design der Turbine gestattet wird.
  • Die vorangehenden Eigenschaften gewährleisten, dass die Turbine vorteilhafter Weise mit verbesserter Effizienz in Systemen (beispielsweise Rankine-Kreissystemen) eingesetzt werden kann, in denen eine Energieumwandlung aus Fluiden (Gasen) bei sehr hohen Arbeitsdrücken auftritt.
  • Lagerdesign
  • Ein weiteres Problem tritt durch den Mangel an zur Verfügung stehenden Lagersystemen für rotierende Maschinen mit kompakter Gestaltung auf. Es besteht ein Bedürfnis für solche Vorrichtungen zum Halten der Welle einer rotierenden Komponente, die mit hoher Geschwindigkeit rotiert. Außerdem ist es ein Problem, ein Lagersystem zur Verfügung zu stellen, das bei Maschinen geringer Größe sowohl als Wellenlager als auch als Axiallager arbeitet. Lager dieser Art müssen außerdem robust und zuverlässig sein, so dass sie in Systemen eingesetzt werden können, die 24 Stunden am Tag, 7 Tage in der Woche für ausgedehnte Perioden arbeiten (und eine Lebenserwartung in der Größenordnung von 5 Jahren oder mehr haben).
  • Die vorliegende Erfindung liefert ein Lager zum Halten einer Welle, die um eine Achse drehbar ist und wenigstens teilweise in einem Gehäuse angeordnet ist, mit: einem Lagerelement, das fest an dem Gehäuse angebracht ist und eine erste Lagerfläche gegenüber einer zweiten Lagerfläche an der Welle aufweist, wobei die ersten und zweiten Lagerflächen sich im Wesentlichen quer zu der Achse erstrecken, und einen zylindrischen inneren Kanal, der eine dritte Lagerfläche definiert, die sich im Wesentlichen parallel zu der Achse erstreckt und gegenüber einer vierten Lagerfläche auf der Welle angeordnet ist, wobei das Lagerelement Kanäle aufweist, die dazu ausgestaltet sind, Schmierfluid in wenigstens den Raum der dritten und vierten Lagerflächen zu fördern.
  • Vorzugsweise hat das Lagerelement an seinem Ende, dass der ersten Lagerfläche gegenüber liegt, eine fünfte Lagerfläche, die sich im Wesentlichen quer zu der Achse erstreckt.
  • Vorzugsweise hat das Lagerelement einen im Wesentlichen T-förmigen Querschnitt. Vorzugsweise wird die erste Fläche des Lagerelementes durch eine angehobene ringförmige Fläche an der Oberseite des "T" definiert, die sich teilweise zwischen der inneren radialen Begrenzung und der äußeren radialen Begrenzung des Lagerelementes erstreckt. Vorzugsweise ist eine Mehrzahl von länglichen ersten Aussparungen vorgesehen, die sich radial in der ersten Fläche erstrecken, wodurch sie das Strömen von Schmierfluid zu dem Raum gegenüber der ersten Fläche erleichtern. Vorzugsweise erstrecken sich die ersten Aussparungen teilweise zwischen der inneren radialen Begrenzung und der äußeren radialen Begrenzung der ersten Fläche.
  • Vorzugsweise ist eine Mehrzahl länglicher zweiter Aussparungen vorgesehen, die sich radial in der fünften Fläche erstrecken, wodurch das Strömen von Schmierfluid zu dem Raum gegenüber der vierten Fläche erleichtert wird. Vorzugsweise erstrecken sich die zweiten Aussparungen teilweise zwischen der inneren radialen Begrenzung und der äußeren radialen Begrenzung der fünften Fläche.
  • Vorzugsweise ist in der Oberfläche an der äußeren radialen Begrenzung des Lagerelementes an einem Punkt zwischen den gegenüberliegenden Enden des länglichen Teils des "T"-förmigen Lagerelementes eine umlaufende Aussparung definiert. Vorzugsweise ist eine Vielzahl von ersten Schmierkanälen vorgesehen, die sich radial zwischen der umlaufenden Aussparung und der inneren radialen Begrenzung des Lagerelements erstrecken, wodurch das Strömen von Schmierfluid zwischen dem Äußeren des Lagerelements und dem inneren zylindrischen Kanal erlaubt wird.
  • Vorzugsweise umfasst das Lagerelement eine Mehrzahl zweiter Schmierkanäle, wobei sich jeder Kanal axial zwischen einer ersten länglichen Aussparung an der ersten Fläche und einer entsprechenden gegenüberliegenden zweiten länglichen Aussparung an der fünften Fläche erstreckt.
  • Vorzugsweise liegt die Zahl der ersten und/oder zweiten länglichen Aussparungen zwischen 2 und 8 und beträgt vorzugsweise 6.
  • Vorzugsweise liegt die Zahl der zweiten Schmierkanäle zwischen 2 und 8.
  • Das Lager umfasst außerdem vorzugsweise eine Scheibe, wobei bei der Verwendung eine Oberfläche der Scheibe an der fünften Fläche des Lagerelementes anliegt und die andere Oberfläche der Scheibe so ausgestaltet ist, dass sie an einer zugeordneten Oberfläche eines Antriebselements, beispielsweise einer Turbine, anliegt.
  • Ein Vorteil des Lagerdesigns liegt darin, dass ein Lager geschaffen wird, das eine kompakte Gestaltung aufweist. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass es in der Lage ist, sowohl als Radiallager als auch als Axiallager zu wirken. Ein Vorteil liegt darin, dass durch das Arbeitsfluid eine Schmierung erreicht wird und dass keine separate Schmiermittelzufuhr erforderlich ist.
  • Kupplung
  • Ein weiteres Problem liegt darin, dass obwohl magnetische Kupplungen bekannt sind, es bisher kein Kupplungsdesign gibt, das in der Lage wäre, bei der hohen Geschwindigkeit und in einer abgedichteten Einheit zu arbeiten, die mit den extrem hohen Druckunterschieden zurecht kommt, welche in manchen Industrien auftreten. Häufig ist es ein Problem, dass es nicht möglich ist, eine solche Vorrichtung mit geringen Dimensionen herzustellen.
  • Daher wird vorzugsweise eine Drehmagnetkupplung vorgeschlagen mit: einem ersten Drehelement, das eine erste Welle aufweist, auf welcher ein erstes magnetisches Element angeordnet ist, wobei die erste Welle bei der Verwendung durch eine Quelle von Rotationsenergie angetrieben wird, einem zweiten Drehelement, das eine zweite Welle aufweist, auf welcher ein zweites magnetisches Element angeordnet ist, wobei das zweite Drehelement bei der Verwendung von dem ersten Drehelement durch Kupplung der ersten und zweiten Magnetelemente eine Rotationsenergie empfängt, wobei eines oder beide der ersten und zweiten Magnetelemente eine Mehrzahl von Magnetabschnitten aufweisen, die an unterschiedlichen Winkelpositionen relativ zu der Achse der ersten und zweiten Wellen angeordnet sind.
  • Vorzugsweise ist das erste Drehelement in einem hermetisch abgedichteten Gehäuse angeordnet, wobei ein Abschnitt des Gehäuses zwischen dem ersten Drehelement und dem zweiten Drehelement angeordnet ist und aus einem nicht magnetischem Material hergestellt ist. Vorzugsweise umfasst das nicht magnetische Material Edelstahl, eine Nimonic-Legierung oder Kunststoff.
  • Bei einer Ausführungsform umfasst das erste magnetische Element einen inneren, im Wesentlichen zylindrischen Ankerabschnitt, der integral mit der ersten Welle ausgebildet ist, und eine Vielzahl erster Magnetabschnitte, die fest an dem Äußeren des Ankerabschnitts angebracht sind; und ein zweites magnetisches Element umfasst einen äußeren, im Wesentlichen zylindrischen Tragabschnitt, der einstückig mit der zweiten Welle ausgebildet ist, und eine Vielzahl zweiter Magnetabschnitte, die fest an dem Inneren des Tragabschnitts angebracht sind. Vorzugsweise umfasst das erste magnetische Element außerdem eine Abschirmhülle, die an dem Äußeren der ersten magnetischen Abschnitte angeordnet ist, um die ersten magnetischen Abschnitte während der Hochgeschwindigkeitsrotation der ersten Welle an ihren Positionen zu halten. Die Abschirmhülle kann aus einem Kompositmaterial, beispielsweise Kohlenstofffaser verstärktem Kunststoff (CFK), Kevlar oder Glasfaser verstärktem Kunststoff (GFK) hergestellt sein. Vorzugsweise ist das erste magnetische Element innerhalb des zweiten magnetischen Elements angeordnet und von diesem durch einen Abschnitt des Gehäuses getrennt. Vorzugsweise umfassen die Magnetabschnitte Dipolmagneten, deren N-S-Richtung sich jeweils radial erstreckt.
  • Bei einer anderen Ausführungsform ist das erste magnetische Element im Wesentlichen scheibenförmig und umfasst einen ersten Befestigungsabschnitt, in dem die Vielzahl der ersten Magnetabschnitte fest ange bracht ist, wobei die ersten Magnetabschnitte dadurch eine Scheibenform bilden; und das zweite magnetische Element ist im Wesentlichen scheibenförmig und umfasst einen zweiten Befestigungsabschnitt, in dem die Vielzahl der zweiten Magnetabschnitte fest angebracht ist, wodurch die zweiten Magnetabschnitte eine Scheibenform bilden. Vorzugsweise bilden die ersten und zweiten Magnetabschnitte Sektoren einer Scheibe. Vorzugsweise umfassen die ersten und zweiten Magnetabschnitte Dipolmagneten, deren N-S-Richtung sich jeweils axial erstreckt. Vorzugsweise ist das erste scheibenförmige magnetische Element so angeordnet, dass es axial ausgerichtet neben dem zweiten scheibenförmigen magnetischen Element angeordnet ist und von diesem durch den Abschnitt des Gehäuses getrennt wird.
  • Vorzugsweise ist die Zahl der magnetischen Abschnitte des ersten magnetischen Elements und/oder des zweiten magnetischen Elements eine gerade Zahl von 2 oder mehr. Stärker bevorzugt beträgt die Zahl der magnetischen Abschnitte des ersten magnetischen Elements und/oder des zweiten magnetischen Elements 4.
  • Vorzugsweise sind die magnetischen Abschnitte aus Eisenoxidmaterial, Samariumkobalt oder Neodymeisenbor hergestellt.
  • Ein Vorteil der Drehmagnetkupplung liegt darin, dass sie bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten (beispielsweise 25.000 bis 50.000 U/min) eingesetzt werden kann. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass sie eine abgedichtete Einheit liefert, die das Austreten des (manchmal schädlichen oder gefährlichen) Arbeitsfluids, das die Turbine antreibt, verhindert. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass ein relativ kompaktes Design der Turbine möglich wird; und die mechanische Isolation/magnetische Kupplung ist besonders vorteilhaft, da sie es ermöglicht, mit der Turbinenleistung einen serienmäßigen Generator anzutreiben, wie sie in Automobilanwendungen gefunden werden.
  • Die vorangehenden Eigenschaften gewährleisten, dass die magnetische Kupplung vorteilhafterweise in Systemen (beispielsweise Rankine-Kreisprozesssystemen) eingesetzt werden kann, in denen eine Energieumwandlung aus Fluiden (Gasen) mit sehr hohen Rotationsgeschwindigkeiten auftritt.
  • Leistungssteuerung
  • Weitere Nachteile verfügbarer Rankine-Kreisprozesssysteme sind, dass sie typischerweise Großanlagen sind, die in einem Multimegawattbereich arbeiten, und dass sie nicht dazu geeignet sind, Energie in kleinerem Maßstab zu extrahieren aus Quellen mit relativ niedriger Temperatur, wie heißen Abfallfluiden aus kleinen Industrieinstallationen, automobilen Verbrennungskraftmaschinen und dergleichen.
  • Außerdem wird in Situationen, in denen elektrische Energie aus Quellen, wie Abhitze oder solarthermischen Quellen erhalten wird, angestrebt, dass das System für die Extraktion der Energie mit optimalem Wirkungsgrad eingesetzt wird.
  • Die meisten existierenden Rankine-Kreisprozessmaschinen sind Einheiten mit niedriger Geschwindigkeit mit Synchrongeneratoren, die mit der gleichen Frequenz laufen wie die Netzversorgung. Die Turbinengeschwindigkeit und Leistungssteuerung erfolgt üblicherweise über Ventile als Bypass der Turbine. Beispielsweise beschreibt die US-B-4,537,032 eine parallelstufige modulare Rankine-Kreisprozessturbine, bei welcher die Last auf die Turbine durch Steuerung der Betätigung jedes Drosselventils gesteuert wird. Und die US-A-2002/0108372 beschreibt ein Stromerzeugungssystem mit zwei heißen organischen Standby-Rankine-Kreisprozessturbinensystemen, wobei ein Rankine-Kreisprozessturbinensystem ein Steuerventil zum Öffnen und Schließen ent sprechend dem Output des Generators des anderen Rankine-Kreisprozessturbinensystems aufweist.
  • Es besteht das Bedürfnis für ein Energierückgewinnungssystem und Techniken zur Steuerung desselben, die die oben beschriebenen Probleme überwinden und ein verbessertes Rückgewinnungssystem liefern.
  • Daher wird gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ein Verfahren vorgeschlagen, das in einem Energierückgewinnungssystem ausgeübt wird, wobei die elektromechanische Umwandlungseinheit einen Generator aufweist und das System außerdem ein Steuersystem aufweist, das mit dem Generator gekoppelt und dazu ausgestaltet ist, die von dem Generator abgenommene Spannung zu variieren, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: (a) Erhöhen der Spannung um einen Spannungsschritt; (b) Messen der Ausgangsleistung des Generators; (c) Wenn die in Schritt (b) gemessene Ausgangsleistung geringer oder gleich der vorhergehenden Ausgangsleistung ist, (i) Verringern der Spannung um einen Spannungsschritt, (ii) Wiederholen der Schritte (1) Verringern der Spannung um einen Spannungsschritt und (2) Messen der Ausgangsleistung des Generators; während die in Schritt (c)(ii)(2) gemessene Ausgangsleistung größer ist als die zuvor gemessene Ausgangsleistung, und wenn die in Schritt (b) gemessene Ausgangsleistung größer ist als die vorherige Ausgangsleistung, Wiederholen der Schritte (iii) Erhöhen der Spannung um einen Spannungsschritt, (iv) Messen der Ausgangsleistung des Generators, während die Ausgangsleistung, die in Schritt (c) (iv) gemessen wurde, größer ist als die zuvor gemessene Ausgangsleistung.
  • Alternativ wird jeder Schritt der Erhöhung der Spannung um einen Spannungsschritt durch den Schritt der Verringerung der Spannung um einen Spannungsschritt ersetzt und umgekehrt.
  • Die Größe des Spannungsschritts kann etwa 1% bis 2,5% der mittleren Spannung betragen. Vorzugsweise wird der Schritt (a) etwa jede Sekunde durchgeführt.
  • Der Schritt des Messens der Ausgangsleistung des Generators kann das Messen einer Ausgangsspannung V, die von dem Ausgang des Generators abgeleitet wird, das Messen des Ausgangsstroms I, der von dem Ausgang des Generators abgeleitet wird, und das Berechnen der Ausgangsleistung = V·I umfassen. Alternativ weist der Schritt des Messens der Ausgangsleistung des Generators das Messen der Ausgangsleistung mit einer separaten Leistungsmesseinrichtung auf.
  • Vorzugsweise umfasst das Verfahren außerdem das Umwandeln der Generatorspannung von einer ersten Frequenz in eine zweite Frequenz. Vorzugsweise ist die erste Frequenz höher als die zweite Frequenz, und die zweite Frequenz ist etwa die Frequenz der Netzversorgung. Vorzugsweise umfasst der Schritt des Umwandelns der Spannung: Gleichrichten des Spannungsausgangs durch den Generator mit Hilfe eines Gleichrichterschaltkreises, wodurch eine Gleichspannung erhalten wird, und Erzeugen einer Wechselspannung aus der Gleichspannung mit Hilfe einer Leistungskonditioniereinheit.
  • Das Verfahren umfasst vorzugsweise außerdem das Speichern des zuletzt gemessenen Wertes der Ausgangsleistung.
  • Die Erfindung umfasst außerdem ein programmierbares Steuersystem, wenn es in geeigneter Weise programmiert ist, um das Verfahren der Erfindung auszuführen, wobei das System einen Prozessor, eine Speichereinheit, eine Schnittstelle, die mit der elektromechanischen Umwandlungseinheit gekoppelt ist, und eine Benutzerschnittstelle aufweist.
  • Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass es Systeme und Techniken ermöglicht, die den Wirkungsgrad maximieren und bei kompakten Hochgeschwindigkeitssystemen und insbesondere bei Einheiten mit niedriger Leistung einsetzbar sind.
  • Reinigung des Arbeitsfluids
  • Bei vielen herkömmlichen Energierückgewinnungssystemen, die als geschlossene Systeme arbeiten und eine Expansionseinrichtung, wie eine Turbine verwenden, beispielsweise Rankine-Kreisprozesssystemen, wird ein Arbeitsfluid eingesetzt, das durch verschiedene Stufen in dem System hindurch tritt und normalerweise an einer Stelle in flüssiger Form vorliegt.
  • Wenn das System anfangs gefüllt wird, ist das Arbeitsfluid typischerweise eine Flüssigkeit, so dass der Rest des Systems mit einem Gas, beispielsweise Stickstoff, aufgefüllt werden muss.
  • Ein Problem mit solchen Systemen liegt darin, dass dann, wenn während des laufenden Systems nicht kondensierbare Gase vorliegen, die Gesamtleistung wesentlich verringert werden kann. Dies liegt beispielsweise daran, dass bei einem System auf Turbinenbasis der Druck, auf den sich das Turbinengas beim Austreten expandiert, so niedrig wie möglich sein muss, um das Turbinendruckverhältnis (Druck am Eingang:Druck am Ausgang) so hoch wie möglich zu machen.
  • Techniken, die versuchen dieses Problem anzugehen, sind in den US-Patenten 5,119,635 und 5,487,765 beschrieben. Diese bringen aber das zusätzliche Erfordernis einer separaten Vorrichtung zum Pumpen von Gasen aus dem Kondensator und deren Abkühlung, um das Arbeitsfluid zu kondensie ren, mit sich, lassen nicht erwünschte, nicht kondensierbare Gase zurück und pumpen dann das flüssige Arbeitsfluid zurück in das System.
  • Die vorliegende Erfindung strebt an, ein sehr viel einfacher und leichter umgesetztes System zur Entfernung von Verunreinigungen aus einem Arbeitsfluid vorzuschlagen.
  • Somit wird vorzugsweise ein Arbeitsfluidreinigungssystem für ein Energierückgewinnungssystem vorgeschlagen, wobei das Energieumwandlungssystem ein geschlossenes System mit einem zirkulierenden Arbeitsfluid ist, das in einer Bahn durch das System zirkuliert, und das eine Expansionsvorrichtung, beispielsweise eine Turbine aufweist, mit: einem Ausdehnungsgefäß; einer Membran innerhalb des Ausdehnungsgefäßes, wodurch eine variables Volumen definiert wird, das zur Aufnahme des Arbeitsfluids angeschlossen ist; und einem Steuerventil, das zwischen der Bahn und dem Ausdehnungsgefäß angeordnet ist, wobei das Steuerventil dazu ausgestaltet ist, die Strömung von Fluid zu und/oder von dem variablen Volumen zu steuern; wobei das Steuerventil über einen Kanal an einen Verbindungspunkt in der Bahn angeschlossen ist, wobei der Verbindungspunkt an dem höchsten Punkt der Bahn liegt.
  • Vorzugsweise ist das Steuerventil an einem höheren Punkt angebracht als der Verbindungspunkt. Vorzugsweise ist das Ausdehnungsgefäß an einem höheren Punkt angebracht als das Steuerventil.
  • Das System umfasst vorzugsweise außerdem eine Steuerung, wobei die Steuerung dazu ausgestaltet ist, das Steuerventil zu öffnen und zu schließen. Vorzugsweise ist die Steuerung so konfiguriert, dass sie einen Reinigungszyklus durchführt, wobei der Reinigungszyklus das Öffnen des Steuerventils für eine erste festgelegte Dauer und das Schließen des Steuerventils für eine zweite festgelegte Dauer umfasst. Vorzugsweise ist die Steuerung so konfiguriert, dass sie in einer Startfrequenz einer festgelegten Dauer nach dem Einschalten des Systems eine Mehrzahl der Reinigungszyklen durchführt. Vorzugsweise umfasst die Mehrzahl von Reinigungszyklen 3 bis 5 Reinigungszyklen. Vorzugsweise ist die erste festgelegte Dauer 1 Minute und die zweite festgelegte Dauer ist etwa 10 Minuten.
  • Das System umfasst außerdem vorzugsweise einen Drucksensor, der mit der Steuerung gekoppelt ist; wobei die Steuerung so konfiguriert ist, dass sie wenigstens einen Reinigungszyklus durchführt, wenn der durch den Sensor angezeigte Druck oberhalb eines festgelegten Niveaus liegt. Vorzugsweise ist der Drucksensor so angeordnet, dass er den Druck an dem Ausgang einer Turbine (Expansionsvorrichtung) erfasst.
  • Die vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
  • 1(a) eine schematische Übersicht eines Energierückgewinnungssystems gemäß einem Aspekt der Erfindung und (b) zwischengeschaltete Elektronik, die den Output des Generators modifiziert, zeigt;
  • 2 eine schematische Darstellung der Ableitung einer Quelle von Abhitze gemäß einem Aspekt der Erfindung ist;
  • 3 in größerem Detail die Turbineneinheit und den Generator gemäß 1 darstellt;
  • 4 eine vergrößerte Ansicht des Turbinenlagers in 3 ist;
  • 5 in größerem Detail das Lagerelement zeigt, das in dem Lager in Figur 4 eingesetzt wird, wobei Fluidströme dargestellt sind;
  • 6 eine alternative (magnetische) Kupplung der Turbineneinheit und des Generators gemäß 1 bei einem anderen Aspekt der Erfindung darstellt;
  • 7 verschiedene Ansichten eines Systems auf Mikroturbinenbasis zeigt (a) in Isolation, (b) mit einem Rekuperator und (c) und (d) die gleichen Systeme wie (a) beziehungsweise (b), wobei diese entsprechend Aspekten der Erfindung ein Energierückgewinnungssystem aufweisen;
  • 8(a) Energieerzeugungssystem auf Basis eines Verbrennungsmotors und (b) das gleiche System, wobei es gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ein Energierückgewinnungssystem aufweist, zeigt; und
  • 9 ein Energieerzeugungssystem mit Abfackelkamin zeigt, das gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Energierückgewinnungssystem aufweist.
  • Im Hinblick auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen zur Bezeichnung gleicher Elemente verwendet werden, ist 1(a) eine schematische Übersicht eines Energierückgewinnungssystems 100 gemäß einem Aspekt der Erfindung. Der Bezug auf "Energierückgewinnungssystem" umfasst hierbei einen Bezug auf Energierückgewinnungssysteme, die Energie (beispielsweise elektrische) aus Energiequellen (beispielsweise Wärme), die andernfalls vergeudet würde, und auf Energieumwandlungssysteme, die Energie von einer Form (beispielsweise Wärme) in eine andere (beispielsweise elektrische) unter Bedingungen umwandelt, in denen die ursprüngliche (Wärme) Energie nicht notwendigerweise vergeudet worden wäre, sondern in ihrer vorliegenden Form hätte verwendet werden können (beispielsweise um wenigstens zum Heizen eines Gebäudes beizutragen).
  • Ein Hauptwärmetauscher 102 hat wenigstens einen Quellenfluideinlass 104, durch welchen er ein aufgeheiztes Quellenfluid empfängt, welches die thermische Energie, die durch System zurück gewonnen werden soll, aufweist. Die Temperatur des Quellenfluids beim Eintritt in den Hauptwärmetauscher 102 wird als t1 bezeichnet.
  • Der Hauptwärmetauscher 102 kann durch jede Wärmequelle angetrieben werden, und Beispiele dieser Quellen umfassen heiße Luft, Dampf, heißes Öl, Abgase aus Maschinen, heißes Abfallfluid aus Herstellungsprozessen, Abgasfluide aus Elektrizitätserzeugungssystemen auf Mikroturbinenbasis, Elektrizitätserzeugungssysteme auf Basis von Verbrennungsmotoren, Abfackelkamine, die Abgase verbrennen, etc.. Alternativ kann die Wärmequelle thermische Solarenergie sein, die ein geeignetes Fluid (beispielsweise ein Wärmeübertragungsöl), das das Quellenfluid für den Hauptwärmetauscher 102 bildet, aufheizt.
  • Kurz Bezug nehmend auf 2 ist dies eine schematische Darstellung der Ableitung einer Abfallquelle bei einem Aspekt der Erfindung: ein wichtiges Beispiel vergeudeter Energie ist die allgegenwärtige Verbrennungskraftmaschine, sei sie mit Benzin, Diesel oder Gas betrieben, hin und her gehend oder als Turbine ausgestaltet. Die beste fossil betriebene Maschine mit einfachem Zyklus (im Gegensatz zu sehr großen Kraftwerken oder Schiffsmotoren) wird einen Wirkungsgrad zwischen 35 und 40% aufweisen: dies bedeutet, dass 60 bis 65% der Energie aus dem Brennstoff, der zum Antreiben der Maschine verwendet wird, als Abwärme verloren gehen.
  • Zurück zu 1(a) tritt das Quellenfluid aus dem Hauptwärmetauscher 102 mit einer reduzierten Temperatur t2 über wenigstens einen Quellenfluidauslass 106 aus.
  • Der Hauptwärmetauscher 102, der geeigneter Weise im Kreuzgegenstrom arbeitet, weist außerdem einen Arbeitsfluideinlass 108 und einen Arbeitsfluidauslass 110 auf, durch welche er das Arbeitsfluid des Systems aufnimmt (als eine Flüssigkeit mit der Temperatur t3) beziehungsweise abgibt (bei einer Temperatur t4). Das Arbeitsfluid, das in dem Hauptwärmetauscher 102 aufgeheizt und verdampft wird, wird sorgfältig so ausgewählt, dass seine thermodynamischen und chemischen Eigenschaften zu dem Systemdesign und den Arbeitstemperaturen und -drücken passen. Bei einer Ausführungsform ist das Arbeitsfluid HFE-7100.
  • Nach dem Austritt aus dem Arbeitsfluidauslass 110 des Hauptwärmetauschers 102 fließt das gasförmige Arbeitsfluid in Richtung der Pfeile A zu dem Turbineneinlass 112 der Turbineneinheit 114. Das Arbeitsfluid erreicht die Turbineneinheit 114 mit einem Druck p1, verliert Wärme und Druck beim Antreiben der Turbine (nicht dargestellt), die auf einer Turbinenwelle 116 in der Turbineneinheit 114 angebracht ist, und verlässt die Turbineneinheit 114 über Turbinenauslässe 118 mit einem Druck p2, der wesentlich niedriger ist als p1. Bei einer Ausführungsform ist der Druck p1 11,5 bar absolut, und der Druck p2 ist 1,0 bar absolut.
  • Bei einer Ausführungsform ist die Turbinenwelle 116 an einem Lager (nicht dargestellt) angebracht und mechanisch mit einem Generator 120 gekoppelt, beispielsweise sind die Turbine und der Generatoranker (nicht dargestellt) auf einer gemeinsamen Welle 116 angebracht. Auf diese Weise bewirkt die Hochgeschwindigkeitsrotation der Turbinenwelle 116, dass in dem Generator 120 elektrische Energie erzeugt wird, wobei die entsprechende Spannung an dem Generatoroutput 122 auftritt. Die Kupplung der Turbinenwelle 116 mit dem Generator 120 wird nachfolgend mit Bezug auf die 3 bis 5 näher beschrieben.
  • Nach dem Austritt aus den Turbinenauslässen 118 bewegt sich das Arbeitsfluid in Richtung der Pfeile B zu dem Einlass 124 eines zweiten Wärmetauschers 126, der unter Verwendung des Turbinenabgases als ein Vorwärmer des Arbeitsfluids dient. Das Arbeitsfluid wird daher in den zweiten Wärmetauscher 126 mit einer Temperatur t5 eingespeist und tritt über den Auslass 128 mit einer niedrigeren Temperatur t6 aus. Gleichzeitig nimmt der zweite Wärmetauscher über den Einlass 130 einen anderen Strom des Arbeitsfluids (in der Richtung der Pfeile C) unterhalb dessen Siedepunktes und in flüssiger Form mit einer Temperatur t7 auf. In dem zweiten Wärmetauscher 126 wird thermische Energie auf den Strom des am Einlass 130 ankommenden Arbeitsfluids übertragen, das Arbeitsfluid tritt über den Auslass 132 mit einer Temperatur t3 aus und fließt (in der Richtung der Pfeile D) zu dem Einlass 108 des Hauptwärmetauschers 102.
  • Das System umfasst außerdem eine Kondensationseinheit (oder Wasserkühler) 134, in welchem kaltes Wasser über den Einlass 136 ankommt und über den Auslass 138 austritt. Beim Betrieb kommt Arbeitsfluid von dem zweiten Wärmetauscher 126, das in der Richtung des Pfeils E fließt, in der Kondensationseinheit 134 über den Einlass 140 an, wird in der Kondensationseinheit 134 abgekühlt und zu einer Flüssigkeit kondensiert und tritt dann über den Auslass 142 aus. Dieses flüssige Arbeitsfluid (bei der Temperatur t7) wird über die Pumpe 144 über Ventile 146 in Richtung der Pfeile C getrieben und bildet die zweite Versorgung an Arbeitsfluid, das an dem zweiten Wärmetauscher 126 ankommt, um den Zyklus wieder neu zu beginnen. Eine separate Fluidleitung 160 liefert flüssiges Arbeitsfluid zur Schmierung des Lagers, das die Turbineneinheit 114 und den Generator 120 koppelt.
  • Somit arbeitet das System auf der Basis eines Rankine-Kreisprozesses und ist abgedichtet, so dass kein Entweichen oder Verbrauch des Arbeitsfluids auftritt, das einfach im Kreislauf durch die verschiedenen Phasen läuft.
  • Bei einer Ausführungsform umfasst das System ein Steuersystem 150, um den Leistungsoutput durch das System zu steuern. Die meisten existierenden Rankine-Kreisprozessmaschinen sind Einheiten mit niedriger Geschwindigkeit mit Synchrongeneratoren, die auf der gleichen Frequenz laufen, wie die Netzversorgung. Die Turbinengeschwindigkeit und Leistungssteuerung erfolgt im Allgemeinen über Ventile zur Umgehung der Turbine. Das System gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung verwendet aber einen Hochgeschwindigkeitsgenerator 120, und eine Leistungskonditionierungseinheit wird vorzugsweise dazu verwendet, den Hochfrequenzgeneratoroutput in die Netzfrequenz umzuwandeln.
  • Im Einzelnen umfasst das Steuersystem zwischengeschaltete Elektronik 151, eine Leistungskonditioniereinheit (PCU) 152 und eine Steuerung 154. Der Leistungsoutput durch den Generator 120 an den Ausgängen 122 erfolgt bei einer sehr hohen Frequenz durch die Hochgeschwindigkeitsrotation der Turbinenwelle und wird durch die zwischengeschaltete Elektronik 151, die in 1(b) in größerem Detail beschrieben ist, modifiziert.
  • Mit Bezug auf 1(b) sind die Ausgänge 122 des Generator 120 mit den Eingängen 160 (3 für einen Drei-Phasengenerator) der zwischengeschalteten Elektronik, die allgemein mit 151 bezeichnet ist, verbunden. Die erste Stufe der zwischengeschalteten Elektronik 151 ist eine optionale Transformatorstufe 162, um die Spannung auf jeder der Leitungen zu verstärken: dies gewährleistet, dass bei Bedarf schließlich eine ausreichende Gleichspannung an der PCU 152 ankommt, so dass eine vollständige 240 V Sinuswelle (wie bei der Netzversorgung im Vereinigten Königreich) am Ausgang der PCU 152 erzeugt werden kann. Bei bestimmten Ausführungsformen ist jedoch der Spannungsni veauoutput durch den Generator 120 hoch genug, so dass die Transformatorstufe 162 weggelassen werden kann.
  • Als nächstes tritt der Spannungsoutput der Transformatorstufe 162 bei 164 in eine Gleichrichterstufe 166, die eine Gruppe von sechs Gleichrichterdioden 168 aufweist, wie es im Stand der Technik wohlbekannt ist. Somit wird eine gleichgerichtete, etwa Gleichspannung an den Ausgängen 170 der Gleichrichterstufe 166 zugeführt und diese erscheint bei normalen Betriebsbedingungen an den Ausgängen 152 der zwischengeschalteten Elektronik 151.
  • In dem Fall einer plötzlichen Unterbrechung der Netzversorgung geht die gesamte Generatorlast verloren. Dies könnte eine wesentliche Übergeschwindigkeit des Generators 120 bewirken, und so weist, neben einem Schnellentleerungsventil (nicht dargestellt) zur Umgehung der Turbine, die zwischengeschaltete Elektronik 151 eine Sicherheitsstufe 154 auf, die einen Schutzwiderstand 158 zum Aufbringen einer Last auf den Generator 120 für den Fall der Unterbrechung der Netzversorgung und zur Verhinderung einer Übergeschwindigkeit aufweist.
  • Ein Transistor 176 ist über die Ausgänge 172 in Reihe mit dem Schutzwiderstand 158 geschaltet, wobei die Basis b des Transistors 176 durch eine Übergeschwindigkeitserfassungseinheit (nicht dargestellt) angetrieben wird. Letztere liefert ein PWM-Signal an den Transistor 176, dessen Leistungszyklus proportional zu der Größe der Übergeschwindigkeit ist, so dass gilt, je höher die Übergeschwindigkeit ist, desto größer wird die durch den Schutzwiderstand 158 aufgebrachte Last.
  • Wie aus 1(b) ersichtlich ist, liegt die an den Ausgängen 172 (hier als Gleichstrombus bezeichnet) zugeführte Leistung bei einer Spannung V und einem Strom I und wird der PCU 152 zugeführt. Die PCU 152, die im Stand der Technik bekannt ist, ist dazu ausgestaltet, Strom von Gleichstrom in Wechselstrom der Netzfrequenz (50 Hz im Vereinigten Königreich) und -spannung (240 V im Vereinigten Königreich) umzuwandeln. Die PCU ist wiederum in der Lage, die Gleichstrombusspannung zu variieren, um den Leistungsoutput des Systems einzustellen.
  • Das Variieren der Gleichstrombusspannung (V in 1(b)) in der Leistungskonditioniereinheit 152 steuert die Geschwindigkeit der Turbinenwelle 116. Eine Verringerung der Busspannung erhöht die Last auf den Generator 120, wodurch mehr Strom von dem Generator gezogen wird. Umgekehrt bewirkt eine Erhöhung der Busspannung, dass der Generatorstrom abfällt. Durch Berechnen der Leistung (beispielsweise unter Verwendung von P = V·I oder unter Verwendung einer Leistungsmesseinrichtung) vor und nach der Busspannungsänderung kann bestimmt werden, ob die Leistung durch die Busspannungsänderung erhöht oder verringert wurde. Dies ermöglicht das Finden des Punktes eines maximalen Leistungsoutputs des Generators 120, der dann kontinuierlich durch Änderung der Busspannung verfolgt werden kann.
  • Bei einer Ausführungsform beträgt die dem Generator bei fehlender Last zugeführte Spannung 290 Vac (alle Spannungen werden line-to-line (Außenleiterspannung) gemessen) auf jeder der drei Phasen bei 45.000 U/min, der maximalen Nenndrehzahl des Generators 120. Die niedrigste Drehzahl, bei der Strom erzeugt werden kann, ist 28.000 U/min, wobei an diesem Punkt die Spannung ohne Last 180 Vac beträgt. Ein Erhöhen der Last wird auch die Generatorspannung verringern: beispielsweise wird die Spannung bei 45.000 U/min 210 Vac bei 6,3 kW sein.
  • Die Steuerung des Leistungsoutputs durch Variierung der Busspannung kann durch geeignete analoge oder digitale Elektronik, Mikrokontroller oder dergleichen umgesetzt werden. Sie kann auch manuell unter Verwen dung eines Personal-Computers (PC) als Steuerung 154 gesteuert werden. Vorzugsweise wird aber der Leistungsoutput automatisch gesteuert unter Verwendung eines geeignet programmierten PC oder einer anderen Rechenmaschine als Steuerung 154. In jedem Fall kommuniziert der PC mit der PCU 152 mit Hilfe einer RS232 seriellen Kommunikationseinrichtung, obwohl auch ein RS422- oder RS485-Adapter verwendet werden könnte, wie es im Stand der Technik bekannt ist. Der PC kann somit jederzeit über eine Ablesung von V und verfügen, so dass es möglich ist, die gegenwärtige Leistung zu kennen.
  • In dem Fall einer automatischen PC-Steuerung kann das Steuerverfahren mit Hilfe einer geeigneten Software erfolgen, die folgendes umsetzt.
  • while System ON, do
    Erhöhe Busspannung um einen Spannungsschritt
    Messe neue Leistung (= V·I)
    if neue Leistung kleiner oder gleich alte Leistung, then
    Verringere Spannung um einen Spannungsschritt
    do
    Verringere Spannung um einen Spannungsschritt
    Messe neue Leistung
    while neue Leistung größer als alte Leistung
    else do
    Erhöhe Spannung um einen Spannungsschritt
    Messe neue Leistung
    while neue Leistung größer als alte Leistung
  • Der Fachmann wird erkennen, dass die Größe des Spannungsschrittes durch die Betriebsbedingungen bestimmt wird und ein geeignet bestimmter kleiner Anteil (beispielsweise 1 bis 2,5%) der mittleren Busspannung ist.
  • Bei einer Ausführungsform kann die Spannungsschrittänderung etwa jede Sekunde durchgeführt werden.
  • Ein anders optionales Merkmal, das in dem System enthalten ist, ist ein Arbeitsfluidreinigungssystem, das in 1 allgemein mit 170 bezeichnet ist. Wie oben erwähnt wurde, kann dann, wenn beim Laufen des Systems nicht kondensierbare Gase vorliegen, die Gesamtleistung wesentlich reduziert werden, d. h. das Druckverhältnis der Turbine ist niedriger als es sein sollte. Beispielsweise ist bei der Turbine, die hier in den Beispielen erwähnt wurde, der Eingangsdruck p1 bei 20 bar vorgesehen; beträgt der Ausgangsdruck p2 2 bar anstelle des angestrebten 1 bar, so ist das Druckverhältnis 10 anstelle von 20, woraus sich eine wesentlich verringerte Leistung ergibt (1 bar = 105 N/m2).
  • Ein Schwierigkeit liegt darin, dass dann, wenn das System anfangs gefüllt wird, das Arbeitsfluid eine Flüssigkeit ist und der Rest des Systems mit einem Gas, beispielsweise Stickstoff, aufgefüllt werden muss. Beim Durchführen dieses Schrittes kann der Druck auf unter den Atmosphärendruck reduziert werden, um die Masse des Stickstoffs im System zu verringern. Der Druck kann aber nicht zu sehr verringert werden, sonst wird in der Pumpe eine Hohlraumbildung auftreten. Daher ist es optimal, das unerwünschte Gas während des Laufens des Systems aus dem System zu entfernen.
  • Das Arbeitsfluidreinigungssystem 170 umfasst einen Kanal 172, der an einem Ende an einen Punkt Q an dem zweiten Wärmetauscher (Vorwärmer) 126 und an dem anderen Ende an ein Steuerventil 174 angeschlossen ist, das an dem Basiseintritt/austrittsanschluss 176 eines Ausdehnungsgefäßes 176 vorgesehen sein kann, welcher in einem Beispiel die Art von Ausdehnungsgefäß sein kann, die in Zentralheizungssystemen eingesetzt wird. Das Ausdehnungsgefäß 176 hat eine flexible Membran oder Diaphragma 178, so dass es in sei nem unteren Teil ein variables Volumen V aus Gas und/oder Flüssigkeit aufnehmen kann.
  • Bei dem nachfolgend erwähnten Beispiel (6 kW-System) sind die Messungen wie folgt.
    Systemvolumen 70 Liter
    Fluidvolumen 18 Liter
    Volumen des Ausdehnungsgefäßes 50 Liter
  • Wie ersichtlich ist, liegen dann, wenn das System ursprünglich mit Fluid gefüllt ist, 52 Liter Stickstoff vor. Ein Absenken des Druckes dieses Gases mit einer Vakuumpumpe reduziert die Gasmenge, die in dem Ausdehnungsgefäß 176 aufgenommen werden muss, was bedeutet, dass dieses kleiner gemacht werden kann. Dieses Pumpen bewirkt auch, dass die Membran 178 nach unten in das Ausdehnungsgefäß expandiert, wodurch der gesamte oder fast der gesamte Tank zur Aufnahme von Gasen zur Verfügung steht.
  • Da Stickstoff eine niedrigere Dichte hat als der Arbeitsfluiddampf, neigt er dazu, sich an der höchsten Stelle in dem System anzusammeln. An diesem Punkt (Q in 1) kann das Fluid aus dem Ausdehnungsgefäß 176 entnommen werden, die Membran 178 erlaubt eine Expansion, wodurch das Volumen V vergrößert wird; d. h. dass sich die Gase bei offenem Kontrollventil 174 langsam in das Ausdehnungsgefäß 176 bewegen können. Da der Stickstoff eine niedrigere Dichte hat als das Arbeitsfluid, wird der größte Teil des Inhalts des Ausdehnungsgefäßes 176 Stickstoff und nur ein kleines bisschen Arbeitsfluid sein.
  • Nachdem das Ventil 174 geschlossen hat, kühlen das Ausdehnungsgefäß 176 und sein Inhalt natürlich ab, was zu einer Kondensation des Arbeitsfluids führt. Bei der nächsten Öffnung des Steuerventils 174 fließt das (nun flüssige) Arbeitsfluid durch die Schwerkraft zurück in den Hauptkreislauf des Systems (über das Steuerventil 174 und den Kanal 172), während die nicht kondensierbaren Gase aufgrund ihrer niedrigeren Dichte dazu neigen, in dem Ausdehnungsgefäß 176 zu bleiben. Ein Zyklus (a) Steuerventil OFFEN für eine feste Zeitdauer, gefolgt von (b) Steuerventil GESCHLOSSEN für eine feste Zeitdauer wird dazu verwendet, das Arbeitsfluid zu reinigen. Dieser Zyklus kann während des Startens des Energierückgewinnungssystems mehrere Male (beispielsweise etwa 3 bis 5 mal) wiederholt werden, um so viel Stickstoff wie möglich in dem Ausdehnungsgefäß 176 zu sammeln. Bei dem oben genannten (6 kW-System) wird das Steuerventil 174 für eine Minute geöffnet und dann für 10 Minuten geschlossen. Das Öffnen und Schließen des Steuerventils 174 kann manuell durchgeführt werden oder es kann automatisch mit einer geeigneten Steuerung, in diesem Fall der Steuerung 154, durchgeführt werden.
  • Das System umfasst vorzugsweise außerdem einen Drucksensor, der mit der Steuerung 154 gekoppelt ist, wobei der Drucksensor so positioniert ist, dass er den Druck an dem Ausgang der Expansionsvorrichtung (Turbine) erfasst; und der Reinigungszyklus kann wiederholt werden, wenn sich während des normalen Laufens des Systems Druck aufbaut und an dem Drucksensor festgestellt wird, dass der Druck einen festgelegten sicheren Schwellenwert überschritten hat.
  • 3 zeigt in größerem Detail die Kupplung der Turbineneinheit mit dem Generator gemäß 1(a). Hierbei wird die Turbineneinheit allgemein mit 114 bezeichnet und der Generator wird allgemein mit 120 bezeichnet. Die Turbinenwelle rotiert um eine Achse 302 und ist einstückig mit einem Abschnitt 304, der einen Teil des Rotors 306 des Generators 120 bildet, ausgebildet. Im Allgemeinen sind teilzylindrische Permanentmagneten 308 an dem Abschnitt 304 der Welle 116 angeordnet. Die Magneten 308 werden an ihrer Position auf der Welle 116 über einen Haltezylinder 309 gehalten: dieser Haltezylinder (hergestellt aus einem nicht magnetischem Material, wie CFK) gewährleistet, dass die Magneten 308 während der Hochgeschwindigkeitsrotation der Welle 116 nicht verschoben werden. Der Stator 311, der eine Mehrzahl von Wicklungen (nicht dargestellt) in denen Strom erzeugt wird, aufweist, ist um den Rotor 306 angebracht, wie es im Stand der Technik wohlbekannt ist, und ist in dem Gehäuse 310 eingeschlossen. Der Abschnitt 304 der Welle 116 wird an einem Ende des Gehäuses 310 durch ein Radiallager 312 gehalten, und an dem anderen Ende durch ein allgemein als 314 bezeichnetes Lager, das nachfolgend in größerem Detail beschrieben wird.
  • 4 ist eine vergrößerte Ansicht der Turbinen-Lager-Kupplung in 3. Wie ersichtlich ist, umfasst die Turbineneinheit 114 eine erste Turbinenstufe 402 und eine zweite Turbinenstufe 404. Erhitztes, unter hohem Druck stehendes Arbeitsfluid, das (bei Druck p1) in dem Raum 406 in dem Gehäuse 408 der Turbineneinheit vorliegt, tritt über die Einlassöffnung 410 der ersten Turbinenstufe 402 und strömt in der Richtung des Pfeils F, so dass es auf eine Reihe von Leitschaufeln 412 wirkt, die sicher an der Welle 116 angebracht sind. Das schnell fließende Arbeitsfluid bringt dadurch eine Rotationsenergie auf die Welle 116 auf. Beim Austritt aus der ersten Turbinenstufe 402 (bei Druck p3) fließt das Arbeitsfluid in der Richtung des Pfeils G.
  • Als nächstes tritt das Arbeitsfluid bei (Zwischen)Druck p3 (der wesentlich niedriger ist als p1 aber immer noch relativ hoch) über den Kanal 413 in die nächste Turbinenstufe 404. Hier tritt das Arbeitsfluid über die Einlassöffnung 414 der zweiten Turbinenstufe 404 ein und fließt in Richtung des Pfeils H, so dass es auf eine zweite Reihe von Leitschaufeln 416 wirkt, die an der Welle 116 angebracht sind. Das schnell fließende Arbeitsfluid bringt dadurch weitere Rotationsenergie auf die Welle 116 auf. Beim Austritt aus der zweiten Turbinen stufe 404 (bei Druck p2) fließt das Arbeitsfluid in der Richtung Pfeils J. Somit sind p1 > p3 > p2.
  • Wie ersichtlich ist, sind die axialen und radialen Dimensionen der Leitschaufeln 416 der zweiten Turbinenstufe 404 größer als die der Leitschaufeln 412 der ersten Turbinenstufe 402. Bei einer Ausführungsform gibt es zwei Turbinenstufen mit gleichem Durchmesser und die axiale Dimension der ersten Turbinenstufe beträgt 3/10 des Durchmessers, und die axiale Dimension der zweiten Turbinenstufe beträgt 4/10 des Durchmessers. Bei einer anderen Ausführungsform gibt es drei Turbinenstufen. Die Durchmesser der ersten, zweiten und dritten Turbinenstufen stehen im Verhältnis 4:5:6. Die axiale Dimension der ersten Turbinenstufe ist 0,375 × der entsprechende Durchmesser. Die axiale Dimension der zweiten Turbinenstufe ist 0,35 × der entsprechende Durchmesser. Die axiale Dimension der ersten Turbinenstufe ist 0,33 × der entsprechende Durchmesser.
  • Die Auswahl des Materials, aus dem die Turbinenstufen hergestellt werden, ist wichtig. Bei einer Ausführungsform des Systems wird Aluminium (Al 354; eine hochfeste Gusslegierung) verwendet; in einem größeren (120 kW-) System wird Edelstahl (E3N) verwendet.
  • Das wichtigste Erfordernis des Materials ist, dass es ein hohes Verhältnis der Reißfestigkeit (UTS) zur Dichte aufweist. Beim Drehen mit hoher Geschwindigkeit gilt, dass je höher die Materialdichte ist, desto höher sind die Belastungen in der Turbine, so dass dichtere Materialien auch eine proportional höhere Festigkeit erfordern.
  • Gemäß einer Ausführungsform werden die Turbinenstufen (auch als Turbinenräder bezeichnet), die die Leitschaufeln aufweisen, aus technischem Kunststoff hergestellt, wie Polyetheretherketon (PEEK) gefüllt mit 40% Kohlenstofffasern. Solche Materialien haben den Vorteil sehr geringer Kosten, da die Turbinenräder durch Spritzgießen hergestellt werden können. Die Kunststoffturbinenräder werden unter Verwendung einer geeigneten Befestigungstechnik beispielsweise an einer. Stahlwelle angebracht. Die Eigenschaften verschiedener Turbinenmaterialien sind in Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1
    Material Reißfestigkeit (UTS) (MPa) Dichte (kg/m3) UTS/Dichte
    Al 354 331 2710 0.122140221
    SS E3N 760 7800 0.097435897
    PEEK 40% CF 241 1460 0.165068493
    Ultern 2400 248 1608 0.154228856
    Valox 865 179 1634 0.109547124
  • Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, ist das beste Material (höchstes UTS/Dichte-Verhältnis) PEEK mit 40% CF. Zwei andere Hochleistungskunststoffe (Ultern 2400 und Valox 865) sind ebenfalls in Tabelle 1 enthalten, um die Breite von Kunststoffen zu verdeutlichen, die zur Verwendung bei der Herstellung der Turbinenstufen zur Verfügung stehen und geeignet sind. Ein Gesichtspunkt bei der Verwendung von Kunststoffen (die letzten drei Reihen in Tabelle 1) ist der Effekt auf die Betriebstemperatur (Turbineneinlasstemperatur), die möglich ist. Während in Systemen mit Aluminiumturbinen diese Temperatur bis zu 200°C betragen und bei Edelstahlturbinen sogar noch höher liegen kann, können Systeme mit beispielsweise PEEK 40% CF-Turbinen nur bis 150°C eingesetzt werden. In dem letzten Fall wird der Zyklus des Gesamtsystems 100 so gestaltet, dass er diese Betriebstemperatur berücksichtigt.
  • Zurück zu 4 ist ein Scheibe 418 vorgesehen, die fest an einer Schulter 420 der Turbinenstufe 404 angebracht ist und deren andere Oberfläche an einem Lagerelement 422 anliegt, welches nachfolgend in größerem Detail beschrieben wird. Beim Betrieb permeiert das Arbeitsfluid in den Raum zwischen der Scheibe 418 und dem Lagerelement 422, um eine Schmierung zu erreichen.
  • Das Lagerelement 422 hat einen etwa T-förmigen Querschnitt. Es umfasst eine erste Lagerfläche 424 an einem angehobenen Bereich an der Oberseite des T; und bei der Verwendung ist diese Oberfläche gegenüber einer zweiten Lagerfläche 426, die im Wesentlichen die gleiche ringförmige Form und Größe aufweist, an der Welle 116 nahe dem Ankerabschnitt 304 angeordnet. Das Lagerelement 422 hat einen zentralen zylindrischen Kanal 428, wodurch eine zylindrische dritte Lagerfläche 430 an dem Lagerelement 422, das gegenüber einer vierten Lagerfläche 432 an der Außenseite der Welle 116 angeordnet ist, definiert wird. Eine fünfte Lagerfläche 434 ist an dem Lagerelement 422 an dessen Ende gegenüber der ersten Lagerfläche 424 vorgesehen und ist gegenüber einer entsprechenden Oberfläche der Scheibe 418 angeordnet. Bei einer Ausführungsform permeiert das Arbeitsfluid in all die Räume, die gegenüber von Lagerflächen 424, 430 und 434 des Lagerelement 422 definiert sind, so dass eine Schmierung des Lagers erreicht wird. Das Arbeitsfluid wird als eine Flüssigkeit von der Pumpe 144 (siehe 1(a)) über eine Fluidleitung 160 getrennt von der Hauptströmung, die mit der Außenfläche des Lagerelement 422 in Verbindung steht, zur Verfügung gestellt.
  • Es ist ersichtlich, dass das Lager in dieser Form ein bidirektionales Axiallager bildet: das Lagerelement 422 hat zwei Lagerflächen 424 und 434, die es in die Lage versetzen, Schub in zwei Richtungen aufzunehmen.
  • 5 zeigt in größerem Detail das Lagerelement 422, das in dem Lager in 4 eingesetzt wird, wobei Fluidströmungen angedeutet sind. 5(a) ist eine Endansicht, die die erste Lagerfläche 424 zeigt. Der Flansch 502, der die Oberseite des T bildet, weist zwei Gewindeöffnungen 504 auf, die es ermöglichen, das Lagerelement 422 an das Gehäuse 410 des Generators 120 zu schrauben oder zu verbolzen. Sechs gleichmäßig beabstandete, sich in Radialrichtung erstreckende erste längliche Aussparungen (Schlitze) 506 sind in der ersten Lagerfläche 424 ausgebildet und erstrecken sich von dem radial inneren Ende der ersten Lagerfläche 424 zu dem äußeren radialen Ende der ersten Lagerfläche 424, wodurch der Durchtritt von Schmierfluid ermöglicht wird. Wie aus 5(b) ersichtlich ist, erreichen die Aussparungen 506 den äußeren Rand 508 der ersten Lagerfläche 424 nicht ganz. Bei der Ausführungsform von 5(a) weisen alle Aussparungen 506 einen sich axial erstreckenden zweiten Schmierkanal 510 auf, der sich zu einer Umfangsaussparung (oder Nut) erstreckt, die nachfolgend beschrieben wird.
  • Bei anderen Ausführungsformen kann ein zweiter Schmierkanal 510 in jeder Aussparung 506 entfallen: beispielsweise zeigt 5(c) den Fall, bei welchem ein zweiter Schmierkanal 510 lediglich in zwei der Aussparungen 506 vorgesehen ist.
  • Mit Bezug auf 5(d) ist eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Aussparung (Nut) 512 in der äußeren Fläche 514 des Lagerelements 422 vorgesehen. Es ist ersichtlich, dass die ersten Schmierkanäle 516 (hier vier, die in Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandet sind) sich zwischen der in Umfangsrichtung verlaufenden Aussparung 512 und dem Inneren des Lagerelements 422 erstrecken, wodurch der Durchtritt von Schmierfluid erlaubt wird. Wie am besten aus 5(e) ersichtlich ist, erstrecken sich die zweiten Schmierkanäle 510 zwischen der ersten Lagerfläche 424 und der Umfangsaussparung 512. Die Enden der zweiten Schmierkanäle 510 sind auch in 5(f) gezeigt. Die letztere Figur zeigt auch eine Mehrzahl (hier sechs) zweiter länglicher Aussparungen (Schlitze) 516, die in der fünften Lagerfläche 434 vorgesehen sind. Zwei der zweiten länglichen Aussparungen 516 haben zweite Schmierkanäle, die sich von diesen zu der oben genannten Umfangsaussparung 512 erstrecken. 5(g) ist ein Teilquerschnitt, der die Aussparungen und Kanäle in anderer Weise zeigt.
  • Zurück zu 5(e) tritt das Schmierfluid in der Richtung des Pfeils K in das Lagerelement 422. Das Fluid fließt in der Richtung der Pfeile L zu den ersten länglichen Aussparungen 506 an der ersten Lagerfläche 424, in der Richtung des Pfeils M zu den zweiten länglichen Aussparungen 516 an der fünften Lagerfläche 434 und in der Richtung des Pfeils N (in das Papier) zu dem Inneren des Lagerelements und der dritten Lagerfläche 430, wodurch das Lager geschmiert wird.
  • Beispiel 1
  • Die spezifischen Werte für ein Beispiel (6 kW-Version) des Systems sind nachfolgend dargelegt. Alle Drücke sind in bar (absolut). Alle Temperaturen sind in °C. Das Arbeitsfluid ist HFE-7100.
    t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7
    180.0 123.4 111.0 165.0 130.0 65.0 55.0
    p1 p2 p3
    11.5 1.0 3.4
  • Beispiel 2
  • Die spezifischen Werte für ein zweites Beispiel (120 kW-Version) des Systems sind nachfolgend dargelegt. Alle Drücke sind in bar (absolut). Alle Temperaturen sind in °C. Das Arbeitsfluid ist Hexan.
    t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7
    225.0 138.8 123.8 210.0 145.9 74.0 64.0
    p1 p2 p3
    19.5 1.0 -
  • Die Ergebnisse aus dem System demonstrieren einen sehr nützlichen thermodynamischen Wirkungsgrad (nutzbare Elektrizität aus gegenüber Wärme ein) für die Wärmerückgewinnung und solarthermische Industrien – 10% für ein Quellenfluid, das bei 110°C zugegeben wird, bis 22% für ein Quellenfluid, das bei 270°C zugegeben wird.
  • Mit Bezug auf 6 illustriert diese eine alternative (magnetische) Kupplung der Turbineneinheit mit dem Generator gemäß 1(a) bei einem anderen Aspekt der Erfindung. Die Ansicht in 6(a) ist ein axialer Querschnitt der Kupplung, wobei ein erstes Drehelement 602, das durch eine Turbinenwelle 604 und ein erstes magnetisches Element 606 gebildet wird, gezeigt ist. Das erste magnetische Element 606 umfasst wiederum einen Ankerabschnitt 608, der einstückig mit der Welle aus Stahl oder Eisen hergestellt ist, und eine Mehrzahl von Magnetabschnitten 610, die nachfolgend weiter beschrieben werden.
  • Das erste Drehelement 602 ist hermetisch innerhalb des Gehäuses 612 abgedichtet, das die Turbine (nicht dargestellt) und Arbeitsfluid enthält, wobei das Gehäuse einen zylindrischen Abschnitt 614 aufweist, der das erste magnetische Element 606 enthält. Wenigstens der Bereich 614 ist aus einem nicht magnetischem Material, wie Edelstahl, Nimonic-Legierung oder Kunststoff, hergestellt.
  • Ein zweites Drehelement 616 umfasst eine zweite Welle 618 und ein einstückig mit diesem ausgebildetes, im Wesentlichen zylindrisches zweites magnetisches Element 620. Das zweite magnetische Element wiederum umfasst ein erstes Tragelement 622, in dessen Innerem eine Mehrzahl zweiter Magnetabschnitte 624 fest angebracht ist.
  • Wie am besten in 6(b) dargestellt ist, kann das erste Drehelement 602 eine Kompositabschirmhülle 626 um wenigstens seinen zylindrischen Teil aufweisen, um die ersten Magnetabschnitte 610 während der Hochgeschwindigkeitsrotation an ihrem Platz zu halten. Die Abschirmhülle kann aus einem Komposit, wie einem Kohlenstofffaser verstärktem Kunststoff (CFK), Kevlar oder Glasfaser verstärktem Kunststoff (GFK) hergestellt sein.
  • 6(c) ist ein Querschnitt bei A-A in 6(a). Dieser zeigt die ersten Magnetabschnitte 610 und die zweiten Magnetabschnitte 624 stärker im Detail: in diesem Fall sind jeweils vier vorgesehen. Die Magnetabschnitte sind länglich mit einem Querschnitt, der ähnlich dem Sektor einer Scheibe ist. Die Magnetabschnitte sind Permanentmagneten, die aus einem geeigneten Material, wie Ferritmaterial, Samariumcobalt oder Neodymeisenbor hergestellt sind. Die Richtung der Nord-Süd-Ausrichtung der Magnetabschnitte ist radial, wie schematisch in 6(d) dargestellt ist.
  • Mit Bezug auf 6(e) zeigt diese eine alternative Ausführungsform, bei welcher die ersten magnetischen Elemente 606' und die zweiten magnetischen Elemente 620' im Wesentlichen scheibenförmig sind. Die ersten magnetischen Elemente 606' umfassen einen ersten Befestigungsabschnitt 628 und erste Magnetabschnitte 610', und die zweiten magnetischen Elemente 620' umfassen einen zweiten Befestigungsabschnitt 630 und zweite Magnetabschnitte 624'. Wie zuvor trennt ein nicht magnetischer Abschnitt 614' des Gehäuses (ähnlich 614 und aus dem oben genannten nicht magnetischen Material herge stellt) die Flächen der scheibenförmigen magnetischen Elemente 606' und 620', die sehr nahe beieinander liegen.
  • Die Anordnung der Pole der magnetischen Abschnitte eines oder beider der ersten und zweiten magnetischen Elemente 606', 620' ist schematisch in 6(f) dargestellt. Wie auch in 6(g) dargestellt ist, wechselt die Polarität der Fläche der Magnetabschnitte 610' (oder 620') wenn man tangential von Magnetabschnitt zu Magnetabschnitt fortschreitet.
  • Diese Magnetanordnungen erlauben die Kopplung und die Übertragung von Rotationsenergie und Drehmoment von der Turbinenwelle 604 auf die Welle 618 des Generators und sind dazu ausgestaltet, dies bei relativ hohen Geschwindigkeiten, beispielsweise 25.000 bis 50.000 U/min, zu tun.
  • 7 zeigt verschiedene Ansichten eines Systems auf Basis einer Mikroturbine (a) in Isolation (b) mit Rekuperator (Wärmerückgewinnungssystem) und (c) und (d) die gleichen Systeme wie (a) beziehungsweise (b), wobei sie gemäß Aspekten der Erfindung ein Energierückgewinnungssystem aufweisen.
  • Mit Bezug auf 7(a) zeigt diese ein Mikroturbinensystem, das allgemein mit 700 bezeichnet ist. Solche Systeme sind typischerweise in der Größenordnung von 60 kW angeordnet und werden in mittleren bis großen Gebäuden (Wohn-, Wirtschafts-, Verwaltungsgebäuden etc.) eingesetzt, um Elektrizität durch die Vorortverbrennung von Brennstoff zu erzeugen.
  • Das Mikroturbinensystem 700 umfasst eine Brennkammer 702, die über eine Brennstoffzufuhrleitung 704 und eine Luftzufuhrleitung 706, die Sauerstoff enthaltendes Gas, beispielsweise Luft, liefert, versorgt wird. Der über die Leitung 704 zugeführte Brennstoff kann beispielsweise Erdgas, Diesel oder Kerosin sein. Die heißen Abgase aus der Brennkammer 702 werden über den Abgaskanal 708 zu einer Turbine 710 geleitet, wo sie Rotationsenergie auf die Turbinenwelle 712 übertragen. Die Turbinenwelle 712 treibt sowohl einen Generator 714 (beispielsweise einschließlich eines Wechselstromgenerators, wie es im Stand der Technik wohlbekannt ist, um dadurch elektrische Energie zu erzeugen) als auch einen Kompressor 716 an. Der Kompressor 716 nimmt Luft über den Einlass 718 auf, komprimiert sie und gibt sie mit erhöhtem Druck über die Luftzufuhrleitung 706 an die Brennkammer 702 ab.
  • Der Abgasauslass 720 der Turbine 710 setzt typischerweise immer noch heiße Gase in die Umgebung frei, wodurch Energie vergeudet wird; obwohl manche Wärmeenergie in den Abgasen zur Lieferung von Wärme in dem Gebäude, in dem die Mikroturbine vorgesehen ist, verwendet werden kann, geht wenigstens ein Teil der Wärme bei der Freisetzung heißer Gase verloren. In manchen Systemen kann die erzeugte Energie beispielsweise in der Größenordnung von 60 kW liegen und die erzeugte Wärme in der Größenordnung von 400 kW. Der elektrische Wirkungsgrad des Systems kann durch Hinzufügen einer Komponente verbessert werden.
  • 7(b) zeigt eine alternative Konfiguration des Mikroturbinensystems 700 gemäß 7(a): hierbei wird zusätzlich ein Rekuperator (Wärmerückgewinnungssystem) 722 verwendet, der mit dem heißen Abgas aus dem Auslass 720 der Turbine 710 versorgt wird. Der Rekuperator 722 kann ein Standardwärmetauscher sein, ist aber passender Weise ein Wärmetauscher, der speziell für diesen Zweck gestaltet wurde. Hierbei ist die Luftzufuhrleitung 706 nicht an die Brennkammer 702 angeschlossen, sondern versorgt den Rekuperator 722. Somit extrahiert der Rekuperator 722 beim Betrieb Wärme aus den Abgasen der Turbine 710 und verwendet sie, um die Luft vorzuheizen, die über die rekuperierte Luftzufuhrleitung 724 zu der Brennkammer 702 geleitet wird.
  • Der Rekuperator 722 gibt aber immer noch warme Abgase über den Rekuperatorauslass 726 ab.
  • Der Effekt des Rekuperators auf das System lässt sich in den ersten beiden Reihen von Tabelle 2 erkennen. Tabelle 2
    System Output an elektrischer Energie (kW) Wärmeoutput (bis 100°C) Elektrischer Wirkungsgrad
    Mikroturbine ERS Total
    Mikroturbine 60.0 0.0 60.0 200.0 16.0
    Rekuperierte Mikroturbine 60.0 0.0 60.0 100.0 26.0
    Mikroturbine mit ERS 60.0 32.5 92.5 13.5 24.7
    Rekuperierte Mikroturbine mit ERS 60.0 14.5 74.5 13.0 43.8
  • Die Daten in den zweiten zwei Reihen werden nachfolgend diskutiert. Man wird sehen, dass das Heizen der Luftzufuhr durch den Rekuperator zu einer verbesserten Wärmenutzung und dadurch erhöhtem elektrischem Wirkungsgrad (26% gegenüber 16%) des Systems in 7(b) führt. Ein Nachteil besteht jedoch darin, dass immer noch eine große Energiemenge in der Wärme der Abgase enthalten ist, und dass der elektrische Wirkungsgrad nicht optimiert wurde. Außerdem sind Rekuperatoren teuer und unzuverlässig, und wenn sie während des Betrieb ausfallen, stoppen sie den Betrieb des gesamten Systems.
  • Die 7(c) und (d) stellen die gleichen Systeme wie (a) beziehungsweise (b) dar, wobei sie entsprechend Aspekten der Erfindung ein Energierückgewinnungssystem (ERS) aufweisen, das allgemein mit 100 bezeichnet ist. Das Energierückgewinnungssystem 100 ist einfacher Weise das gleiche wie bei dem oben mit Bezug auf 1 beschriebene System und wird daher nicht weiter im Detail diskutiert.
  • Bei der Anordnung gemäß 7(c) versorgt das Turbinenabgas 720 der Turbine 710 über die Leitung 728 einen Zwischenwärmetauscher 730, der wiederum einen Zwischenwärmetauscherauslassausgang 732 aufweist, welcher beim Betrieb Abgase mit einer niedrigeren Temperatur freisetzt als an den Turbinenausgang 720. Beim Betrieb zirkuliert Wärmeübertragungsöl (beispielsweise BP Transcal N) zwischen dem Zwischenwärmetauscher 730 und dem Hauptwärmetauscher (oder Kessel) 702 des Energierückgewinnungssystems 100 über Leitungen 734 und 736. Die Wärme in dem Wärmeübertragungsöl wird auf das Arbeitsfluid in dem Hauptwärmetauscher übertragen, wodurch es die Wärmequelle liefert, von welcher elektrische Energie abgeleitet wird, wie es oben mit Bezug auf 1 etc. beschrieben wurde.
  • Bei der Anordnung gemäß 7(c) ist es der Rekuperatorausgang 726, der den Zwischenwärmetauscher 730 versorgt, so dass die Wärmemenge, die in dem Zwischenwärmetauscher 730 für die Übertragung zur Verfügung steht, geringer ist als bei der zuvor beschriebenen Anordnung. Die Betriebsweise ist jedoch die gleiche.
  • Vorteilhafte Wirkungen dieser Verwendung des Zwischenwärmetauschers 730 umfassen die Trennung des (Rankine-Kreisprozess) Energierückgewinnungssystems von den potentiell sehr hohen Abgastemperaturen, die Möglichkeit einer besseren Kontrolle des Systems und die Möglichkeit eines Betriebs der Mikroturbine 700 ohne das (d. h. unabhängig von dem) Energierückgewinnungssystem 100.
  • Weitere Vorteile ergeben sich, wenn man ein bestimmtes Beispiel (siehe die dritten und vierten Reihen von Tabelle 2) betrachtet, in diesem Fall eine 60 kW Mikroturbine.
    • 1. Der gesamte elektrische Wirkungsgrad des Systems wird wesentlich erhöht: in dem System gemäß 7(c) wird sie beinahe auf das Niveau des rekuperierten Systems gemäß 7(b) angehoben. Bei dem rekuperierten System (7(c)) wird sie auf beinahe 35% angehoben, was für eine Einheit dieser Größe hoch ist.
    • 2. Der gesamte elektrische Output wird erhöht. Die unrekuperierte Mikroturbine (7(c)) liefert nun 92,5 kW und die rekuperierte Mikroturbine (7(c)) liefert 74,5 kW.
  • Wie angedeutet ist anders als bei dem Rekuperator 722 in dem System gemäß 7(b) ein weiterer Vorteil der Verwendung des Energierückgewinnungssystems 100, dass dann, wenn es ausfällt oder während des Betriebs abgeschaltet werden muss, das Mikroturbinensystem 700 unabhängig von dem Zustand des Energierückgewinnungssystems 100 nicht beeinträchtigt wird und weiter laufen kann. Der einzige Nachteil des Systems ist der, dass die in dem Abgas enthaltende Wärme (Spalte 5 in Tabelle 2) nun wesentlich kleiner ist: sie wird nun bei etwa 50°C abgegeben, was zu niedrig für eine weitere Verwendung ist. Die Aufgabe ist jedoch die Extraktion von besser nutzbarer Elektrizität.
  • 8 zeigt (a) ein Energieerzeugungssystem auf Basis eines Verbrennungsmotors, und (b) das gleiche System, entsprechend einem anderen Aspekt der Erfindung mit einem Energierückgewinnungssystem. Mit Bezug auf 8(a) umfasst das Energieerzeugungssystem, das allgemein mit 800 bezeichnet ist, einen hin und her gehenden Verbrennungsmotor 802, der eine Brennstoffzufuhrleitung 804 und eine Luftzufuhrleitung 806 aufweist. Das Küh len des Verbrennungsmotors 802 wird durch Kühlwassereinlass 808 und -auslass 810 erleichtert, um die Temperatur der Maschine während des Betriebs zu reduzieren. Der Verbrennungsmotor liefert unter Verwendung wohlbekannter Techniken nach Bedarf einen Antrieb über Zahnräder, Kupplungen etc. und die Welle 812 zu einem Generator 814, beispielsweise einem Wechselstromgenerator. In dem System werden, wie es wohlbekannt ist, während des Abgashubes des Verbrennungsmotors 802 über den Abgasauslass 816 heiße Abgase abgegeben: diese heißen Gase versorgen einen Abgaswärmetauscher oder Kessel 818, der für Kraft/Wärmekopplungsanwendungen verwendet wird.
  • Mit Bezug auf 8(b) zeigt diese das System gemäß 8(a) mit dem Energierückgewinnungssystem 100 gemäß 1(a). Hierbei ist der Boiler 818 durch den Zwischenwärmetauscher 730 (wie in 7(c)) ersetzt, der Wärme durch den über die Leitungen 734 und 736 zur Verfügung gestellten Wärmeübertragungsölkreis zu dem Energierückgewinnungssystem 100 transferiert.
  • In dem System gemäß 8(b) ist der Maschinenkühlwasseroutput an dem Auslass 810 auch für Wärme verfügbar, und dies ist unabhängig von der Anordnung des Energierückgewinnungssystems 100 in diesem System.
  • Wie bei den Systemen gemäß 7(c) und (d) erhöht die Gegenwart des Energierückgewinnungssystems 100 den Output an elektrischer Energie und steigert den elektrischen Wirkungsgrad. Tabelle illustriert die Ergebnisse für eine typische hin und her gehende Erdgasmaschine mit 90 kW. Tabelle 3
    System Output an elektrischer Energie (kW) Wärmeoutput des Maschinenkühlwassers (kW) (90°C) Wärmeoutput Abgas (kW) Elektrischer Wirkungsgrad (%)
    Hin und her gehende Maschine ERS Total
    Hin und her gehende Maschine 90 0.0 90.0 63.0 77.0 33.0
    Hin und her gehende Maschine mit ERS 90.0 7.0 97.0 63.0 0.0 35.6
  • 9 zeigt ein Energieerzeugungssystem mit Abfackelkamin, das gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ein Energierückgewinnungssystem 100 aufweist. Abfackelkamine sind turmartige Strukturen, die an Deponien, Ölfeldern und anderen Orten eingesetzt werden, bei welchen eine Gasversorgung mit brennbaren Gasen im Überschuss oder als Abfallprodukt vorliegt.
  • In Deponien bilden sich Deponiegase und müssen entsorgt werden, und dies ist häufig sehr umweltverschmutzend. Das Deponiegas ist hauptsächlich Methan mit vielen Verunreinigungen. Die Zusammensetzung für einen typischen Ort ist in Tabelle 4 angegeben. Andere Orte berichten aber davon, über 50% Methan zu erhalten; die Art und Quantität der Bestandteile kann abhängig von der Art des Mülls in der Deponie stark abweichen. Tabelle 4
    Bestandteil Volumen
    CH4 35%
    N2 20%
    O2 5%
    CO2 40%
    H2S 232 ppmv
    VOCs 743 ppmv
  • Zurück zu 9, wie ersichtlich ist, umfasst der Abfackelkamin 900 eine Basisstufe 902, in welche Luft über ein Gebläse 903 geblasen wird.
  • Unmittelbar oberhalb des Basisabschnitts liegt eine Verbrennungsstufe 904, in welche Deponiegas über den Einlass 906 gefördert (einschließlich mit Hilfe von Pumpen) wird. Oberhalb der Verbrennungsstufe 904 ist eine Mischstufe 908 vorgesehen, in welcher das Deponiegas mit einer Zufuhr von Luft, die über den Lufteinlass 910 in die Mischstufe 908 mitgeschleppt wird, gemischt wird.
  • Wie bei den Ausführungsformen gemäß den 7 und 8 ist ein Zwischenwärmetauscher 730 vorgesehen, diesmal als die obere Stufe des Kamins 900. Wiederum liefert der Zwischenwärmetauscher 730 unter Verwendung von Wärmeübertragungsöl, das durch Leitungen 734 und 736 zirkuliert, die Wärmequelle für den Hauptwärmetauscher 102 des Energierückgewinnungssystems 100, das oben mit Bezug auf 1(a) diskutiert wurde.
  • In Abfackelkaminen liegen die typischen Wärmeoutputs in dem Bereich von 5 MW oder so. Durch Verwenden des Energierückgewinnungssystems 100 über den Zwischenwärmeübertragungsölkreislauf kann Wärme aus dem Abgas des Kamins zurück gewonnen werden. Elektrische Energie, die durch das Energierückgewinnungssystem 100 erzeugt wird, kann in das Versor gungsnetz exportiert werden. Alternativ oder zusätzlich wird das Energierückgewinnungssystem 100 elektrisch mit dem Gebläse 903 gekoppelt, um diesen elektrisch anzutreiben. Der Effekt des Einblasens von zusätzlicher Luft in den Kamin 900 (an der Basisstufe 902) liegt in der Reduzierung der Emissionen von dem Kamin selbst durch Absenken der Verbrennungstemperaturen; auf diese Weise können Stickoxidemissionen verringert werden. Außerdem gibt die erhöhte Verweilzeit in dem Kamin 900 durch die Hinzufügung des Wärmetauschers 730 mehr Zeit für das Auftreten von chemischen Reaktionen, wodurch auch schädliche Emissionen aus dem Kamin verringert werden.
  • Daten legen nahe, dass die Zahl der Abfackelkamine, in denen diese Techniken eingesetzt werden können, in manchen Ländern viele Hundert beträgt und in anderen in der Größenordnung von mehreren Tausend liegt. Es wird außerdem für einen Kamin, der insgesamt 1 MW ausgibt, ins Auge gefasst, durch die Verwendung des oben beschriebenen Systems elektrische Energie in der Größenordnung von 200 bis 250 kW zurückzugewinnen. Dies ist insbesondere sinnvoll, da viele Kamine in abgelegenen, ländlichen Gebieten (Deponien, Ölfelder) liegen, und es ist besonders wünschenswert, dass soviel elektrische Energie wie möglich vor Ort generiert wird.

Claims (25)

  1. Ein Energierückgewinnungssystem für die Extraktion von Energie aus einer Abwärmequelle, wobei das System ein geschlossenes System mit einem zirkulierenden Arbeitsfluid ist, mit: einem ersten Wärmetauscher (102) zur Aufnahme von Quellenfluid, das die Abwärme aufweist, bei einer ersten Temperatur und zur Ausgabe des Abfallfluides bei einer zweiten Temperatur sowie zur Aufnahme des Arbeitsfluides bei einer dritten Temperatur und zur Abgabe des Arbeitsfluides bei einer vierten Temperatur, wobei die vierte Temperatur höher ist als die dritte Temperatur und höher als der Siedepunkt des Arbeitsfluides; einer Turbineneinheit (114), die so angeordnet ist, dass sie das von dem ersten Wärmetauscher (102) mit einem ersten Druck ausgegebene Arbeitsfluid aufnimmt und das Arbeitsfluid mit einem zweiten Druck ausgibt, wobei der zweite Druck niedriger ist als der erste Druck, wodurch die Turbineneinheit (114) eine Rotationsenergie auf eine Turbinenwelle (116) überträgt, die an einem Lager (422) in der Turbineneinheit (114) angebracht ist; einer elektromechanischen Umwandlungseinheit (120), die mit der Turbinenwelle (116) gekoppelt ist, um die Rotationsenergie in elektrische Energie umzuwandeln; und einem Kühlsystem, das mit der Turbineneinheit (114) und dem ersten Wärmetauscher (102) gekoppelt ist, um das Arbeitsfluid von der Turbineneinheit (114) bei einer fünften Temperatur aufzunehmen, das Fluid zu kühlen und das Fluid dem ersten Wärmetauscher (102) mit der dritten Temperatur zuzuführen, wobei das Kühlsystem folgende Elemente aufweist: einen zweiten Wärmetauscher (126), der mit der Turbineneinheit (114) und dem ersten Wärmtauscher (102) gekoppelt ist, um eine erste Zufuhr des Arbeitsfluides von der Turbineneinheit (114) bei einer fünften Temperatur aufzunehmen und das Arbeitsfluid von der ersten Zufuhr bei einer sechsten Temperatur auszugeben, wobei die sechste Temperatur niedriger ist die fünfte Temperatur, wobei der zweite Wärmetauscher (126) dazu ausgestaltet ist, eine zweite Zufuhr von Arbeitsfluid in flüssiger Form bei einer siebten Temperatur aufzunehmen und das Arbeitsfluid von der zweiten Zufuhr des Fluides bei der dritten Temperatur zu dem ersten Wärmetauscher (102) auszugeben; einer Kondensationseinheit (134), die mit dem zweiten Wärmetauscher (126) gekoppelt und dazu ausgestaltet ist, eine Zufuhr von Kühlfluid aufzunehmen, um das Arbeitsfluid, das von dem zweiten Wärmetauscher (126) bei der sechsten Temperatur ausgegeben wird, aufzunehmen und das Arbeitsfluid in flüssiger Form bei der siebten Temperatur auszugeben, wobei die siebte Temperatur niedriger ist als die sechste Temperatur und niedriger als der Siedepunkt des Arbeitsfluides; und einer Pumpe (144), die mit der Kondensationseinheit (134) gekoppelt ist, um das flüssige Arbeitsfluid bei der siebten Temperatur aufzunehmen und das flüssige Arbeitsfluid zu dem zweiten Wärmetauscher (126) zu pumpen, wodurch die zweite Zufuhr des Arbeitsfluides zu dem zweiten Wärmetauscher (126) geschaffen wird; und dadurch gekennzeichnet, dass eine Fluidleitung (160) zwischen einem Auslass für die Pumpe (144), die die zweite Zufuhr des Arbeitsfluides liefert, und dem Lager (422) angeschlossen ist, wodurch eine Schmierung des Lagers (422) durch einen Teil des flüssigen Arbeitsfluides erreicht wird, das von der zweiten Zufuhr getrennt ist.
  2. Das System nach Anspruch 1, wobei die erste Temperatur 110 bis 225°C beträgt.
  3. Das System nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die zweite Temperatur 80 bis 140°C beträgt.
  4. Das System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Temperatur etwa 180°C und die zweite Temperatur etwa 123°C beträgt.
  5. Das System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Druck 10 × 105 bis 30 × 105 N/m2 (10 bis 30 bar) absolut beträgt.
  6. Das System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Druck 0,5 × 105 bis 2 × 105 N/m2 (0,5 bis 2 bar absolut) beträgt.
  7. Das System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Arbeitsfluid ein Fluid mit einer einzelnen Komponente ist, die aus den Alkanen ausgewählt ist.
  8. Das System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Arbeitsfluid ein Fluid mit einem Siedepunkt von 30 bis 110°C aufweist.
  9. Das System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektromechanische Umwandlungseinheit (120) einen Generator (120) aufweist, der dazu ausgestaltet ist, elektrischen Strom auszugeben.
  10. Das System nach Anspruch 9, außerdem mit einer elektrischen Konditionierungseinheit (152), die mit dem Generator (120) gekoppelt ist, um die Frequenz des von dem Generator (120) empfangenen Stromes zu ändern und Strom mit Netzfrequenz auszugeben.
  11. Das System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Turbineneinheit (114) wenigstens eine Turbinenstufe (402, 404) aufweist, die an der Turbinenwelle (116) angebracht ist, wobei die oder jede Turbinenstufe (402, 404) eine Gruppe von Leitschaufeln (412, 416) aufweist.
  12. Das System nach Anspruch 11, wobei die oder wenigstens eine Turbinenstufe (402, 404) aus Aluminium oder Stahl hergestellt ist.
  13. Das System nach Anspruch 11, wobei die oder wenigstens eine Turbinenstufe (402, 404) aus Kunststoffmaterial hergestellt ist.
  14. Das System nach Anspruch 13, wobei das Kunststoffmaterial (a) Polyetheretherketon (PEEK) mit Kohlenstofffasern, bspw. PEEK mit 40% Kohlenstofffasern, (b) Ultern 2400 oder (c) Valox 865 ist.
  15. Die Verwendung von HFE-7100 oder Hexan oder Wasser als das Arbeitsfluid in dem Energieumwandlungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  16. Die Verwendung eines der Alkane des Arbeitsfluides in dem Energieumwandlungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  17. Ein System zur Erzeugung elektrischer Energie mit: einem Mikroturbinensystem (700), wobei das Mirkoturbinensystem (700) folgende Elemente umfasst: eine Verbrennungseinheit (702), die mit einer Brennstoffquelle gekoppelt ist, um den Brennstoff zu verbrennen und ein erstes Abgasfluid auszugeben, eine zweite Turbineneinheit (710), die zur Aufnahme des ersten Abgasfluides angeschlossen ist, wodurch bei der Verwendung die Rotationsenergie an eine zweite Turbinenwelle (712) der zweiten Turbineneinheit (710) weitergegeben wird, wobei die zweite Turbineneinheit (710) dazu ausgestaltet ist, ein zweites Abgasfluid auszugeben, einer Zwischenwärmeübertragungseinheit (730), die zur Aufnahme des zweiten Abgasfluides angeschlossen und dazu ausgestaltet ist, eine Wärmeübertragung von dem zweiten Abgasfluid zu einem Zwischenwärmeübertragungsfluid durchzuführen und das Zwischenwärmeübertragungsfluid nach der Wärmeübertragung auszugeben und einem Energierückgewinnungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Energieumwandlungssystem den ersten Wärmetauscher (102) aufweist, der zur Aufnahme des Zwischenwärmeübertragungsfluides angeschlossen ist, wobei das Zwischenwärmeübertragungsfluid das Quellenfluid bildet.
  18. Das System zur Erzeugung elektrischer Energie nach Anspruch 17, wobei das Mikroturbinensystem (700) außerdem einen Kompressor (712) aufweist, der mit der zweiten Turbineneinheit (710) und der Verbrennungseinheit (702) verbunden ist und bei der Verwendung durch die zweite Turbinenwelle (712) angetrieben wird, wobei der Kompressor (716) eine Zufuhr von Sauerstoff enthaltendem Fluid aufnimmt und das Sauerstoff enthaltende Fluid bei der Verwendung in einem komprimierten Zustand der Verbrennungseinheit (702) zuführt.
  19. Das System zur Erzeugung elektrischer Energie nach Anspruch 17 oder 18, wobei das Mikroturbinensystem (700) außerdem einen Generator (706) aufweist, welcher mit der zweiten Turbineneinheit (710) gekoppelt ist und bei der Verwendung durch die zweite Turbinenwelle (712) angetrieben wird, wobei der Generator (714) dazu ausgestaltet ist, elektrische Energie auszugeben.
  20. Das System zur Erzeugung elektrischer Energie nach einem der Ansprüche 17 bis 19, außerdem mit einem Rekuperator (722), der zwischen der zweiten Turbineneinheit (710) und der Zwischenwärmeübertragungseinheit (730) angeordnet und angeschlossen ist, um das zweite Abgasfluid aufzunehmen und drittes Abgasfluid zu der Zwischenwärmeübertragungseinheit (730) auszugeben, wobei der Rekuperator (722) außerdem dazu ausgestaltet ist, eine Zufuhr von Sauerstoff enthaltendem Fluid bspw. von dem Kompressor (716) aufzunehmen und um das Sauerstoff enthaltende Fluid zu der Brennkammer (702) zu fördern, nachdem Wärme von dem zweiten Abgasfluid hierauf übertragen wurde.
  21. Das System zur Erzeugung elektrischer Energie nach Anspruch 20, wobei der Rekuperator (722) einen dritten Wärmetauscher aufweist.
  22. Ein System zur Erzeugung elektrischer Energie mit: einem System mit innerer Verbrennung, wobei das System mit innerer Verbrennung folgende Elemente aufweist: eine Verbrennungskraftmaschine (802), die mit einer Brennstoffquelle verbunden ist, um den Brennstoff zu verbrennen und ein Motorabgasfluid auszugeben, wobei die Verbrennungskraftmaschine (802) so angeordnet ist, dass bei der Verwendung Rotationsenergie auf eine Antriebswelle (812) übertragen wird, eine Zwischenwärmeübertragungseinheit (730), die zur Aufnahme des Motorabgasfluides angeschlossen und dazu ausgestaltet ist, eine Wärmeübertragung von dem Motorabgasfluid zu einem Zwischenwärmeübertragungsfluid durchzu führen und das Zwischenwärmeübertragungsfluid nach der Wärmeübertragung auszugeben, und einem Energierückgewinnungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Energieumwandlungssystem den ersten Wärmetauscher (102) aufweist, der zur Aufnahme des Zwischenwärmeübertragungsfluides angeschlossen ist, wobei das Zwischenwärmeübertragungsfluid das Quellenfluid bildet.
  23. Das System zur Erzeugung elektrischer Energie nach Anspruch 22, wobei das System mit innerer Verbrennung außerdem einen Generator (814) aufweist, der mit der Verbrennungskraftmaschine (802) gekoppelt ist und bei der Verwendung durch die Antriebswelle (812) angetrieben wird, wobei der Generator (814) dazu ausgestaltet ist, elektrische Energie auszugeben.
  24. Das System zur Erzeugung elektrischer Energie nach Anspruch 22 oder 23, wobei die Verbrennungskraftmaschine (802) mit einer Brennstoffzufuhr und einer Zufuhr von Sauerstoff enthaltendem Fluid verbunden ist.
  25. Ein System zur Erzeugung elektrischer Energie mit: einem Abgasabfuhrkamin (900), wobei der Abgasabfuhrkamin (900) folgende Elemente aufweist: eine Basisstufe (902), wobei die Basisstufe (902) ein Gebläse (903) zum Blasen von Sauerstoff enthaltendem Gas in den Abgasabfuhrkamin (900) aufweist, eine Verbrennungsstufe (904) angrenzend an die Basisstufe, die mit einer Abgasquelle gekoppelt ist, wobei das Abgas ein brennbares Gas ist oder aufweist, wobei die Verbrennungsstufe (904) dazu ausgestaltet ist, bei der Verwendung das Abgas in dem Sauerstoff enthaltenden Gas zu verbrennen,
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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012202052A1 (de) * 2012-02-10 2013-08-14 Robert Bosch Gmbh Turbine mit einem Leistungsüberträger
DE102012204265A1 (de) * 2012-03-19 2013-09-19 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Wärmekraftmaschine
DE102012222010A1 (de) * 2012-11-30 2014-06-05 Robert Bosch Gmbh Expansionsmaschine
DE102014203871A1 (de) * 2014-03-04 2015-09-10 Robert Bosch Gmbh Laufrad für eine Turbine
DE102015205452A1 (de) * 2015-03-25 2016-09-29 Mahle International Gmbh Lageranordnung zur Lagerung einer Laufrad-Welle
DE102015208859A1 (de) * 2015-05-13 2016-11-17 Mahle International Gmbh Fahrzeug
DE102017009978A1 (de) * 2017-10-26 2019-05-02 Jan Wasseveld Maschinensystem zur Energieumwandlung in einem ORC(Organic-Rankine-Cycle)-Kreislauf unter Verwendung eines Kunststoffes.
DE102019207957A1 (de) * 2019-05-29 2020-12-03 Thyssenkrupp Ag Vorrichtung und Verfahren zur Nutzung von Niedertemperaturwärme durch Auskoppeln der Niedertemperaturwärme aus Prozessgas sowie Verwendung

Families Citing this family (69)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB0511864D0 (en) * 2005-06-10 2005-07-20 Univ City Expander lubrication in vapour power systems
US7454911B2 (en) 2005-11-04 2008-11-25 Tafas Triantafyllos P Energy recovery system in an engine
CN100404800C (zh) * 2006-01-27 2008-07-23 鞠洪君 低温热源热动力装置及其工作方法
DE202006018288U1 (de) * 2006-12-01 2008-04-10 Deprag Schulz Gmbh U. Co Turbinengenerator zur Erzeugung elektrischer Energie sowie industrielle Anlage
US8511073B2 (en) * 2010-04-14 2013-08-20 Stewart Kaiser High efficiency cogeneration system and related method of use
US9978466B2 (en) * 2007-06-28 2018-05-22 Nikola Lakic Self-contained in-ground geothermal generator and heat exchanger with in-line pump
US11098926B2 (en) 2007-06-28 2021-08-24 Nikola Lakic Self-contained in-ground geothermal generator and heat exchanger with in-line pump used in several alternative applications including the restoration of the salton sea
EP2014880A1 (de) * 2007-07-09 2009-01-14 Universiteit Gent Verbessertes kombiniertes Wärme- und Stromsystem
JP2010540837A (ja) * 2007-10-04 2010-12-24 ユナイテッド テクノロジーズ コーポレイション 往復機関からの廃熱を利用するカスケード型有機ランキンサイクル（ｏｒｃ）システム
DE102008004903A1 (de) 2008-01-17 2009-07-23 Daimler Ag Verbrennungskraftmaschine mit Wärmerückgewinnungsvorrichtung
DE102008005038A1 (de) 2008-01-18 2009-07-23 Daimler Ag Verfahren zur Rückgewinnung einer Verlustwärme einer Verbrennungskraftmaschine und Verbrennungskraftmaschine mit einer Wärmerückgewinnungsvorrichtung
US8353160B2 (en) * 2008-06-01 2013-01-15 John Pesce Thermo-electric engine
WO2010045341A2 (en) * 2008-10-14 2010-04-22 George Erik Mcmillan Vapor powered engine/electric generator
DE102008057202A1 (de) * 2008-11-13 2010-05-20 Daimler Ag Clausius-Rankine-Kreis
JP5400534B2 (ja) * 2008-11-20 2014-01-29 川崎重工業株式会社 排熱回収タービンシステム
DE102009011847A1 (de) 2009-03-05 2010-09-09 Eckert, Frank Verdampfersystem für Rauchgase in ORC-Prozessen
DE202009003094U1 (de) 2009-03-05 2009-06-18 Eckert, Frank ORC-System für Verbrennungsmotoren
US9115644B2 (en) 2009-07-02 2015-08-25 Honeywell International Inc. Turbocharger system including variable flow expander assist for air-throttled engines
US20120107089A1 (en) * 2009-07-08 2012-05-03 Honeywell International Inc. Fluid Flow Control System Having a Moving Fluid Expander Providing Flow Control and Conversion of Fluid Energy into Other Useful Energy Forms
CN102472122A (zh) * 2009-08-24 2012-05-23 川崎重工业株式会社 余热回收涡轮系统
JP5155977B2 (ja) * 2009-09-30 2013-03-06 三菱重工業株式会社 発電システムの制御装置および発電システムならびに発電システムの制御方法
DE102009053390B3 (de) 2009-11-14 2011-06-01 Orcan Energy Gmbh Thermodynamische Maschine sowie Verfahren zu deren Betrieb
JP2011132877A (ja) * 2009-12-24 2011-07-07 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 多段ラジアルタービン
MX2010002024A (es) * 2010-02-22 2011-08-30 Amc Medicion Y Control S A De C V Micro generador de energia electrica, acoplado magneticamente.
US8446029B2 (en) 2010-04-05 2013-05-21 Honeywell International Inc. Turbomachinery device for both compression and expansion
US8544262B2 (en) * 2010-05-03 2013-10-01 Honeywell International, Inc. Flow-control assembly with a rotating fluid expander
DE102010019580A1 (de) * 2010-05-05 2011-11-10 Ocr Energy Gmbh Motorbetriebene Einrichtung zur Stromerzeugung sowie Verfahren hierfür
IT1400696B1 (it) * 2010-06-21 2013-06-28 Exergy Engineering S R L Apparato per convertire energia termica in energia elettrica e/o meccanica tramite un ciclo rankine organico.
US20130134720A1 (en) * 2010-08-09 2013-05-30 Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki Waste heat utilization apparatus
DE102010053835A1 (de) * 2010-12-08 2012-06-14 Daimler Ag Verfahren und Vorrichtung zur Entlüftung eines Abwärmenutzungskreislaufs in einem Fahrzeug
DE102010056299A1 (de) * 2010-12-24 2012-06-28 Robert Bosch Gmbh Abwärmenutzungsanlage
DE102011010974A1 (de) 2011-02-10 2012-08-16 Voith Patent Gmbh Stationäres Kraftwerk, insbesondere Gaskraftwerk, zur Stromerzeugung
EP2694813A2 (de) * 2011-04-01 2014-02-12 Nuovo Pignone S.p.A. Organischer rankine-prozess für konzentriertes sonnenenergiesystem
WO2012151383A1 (en) 2011-05-05 2012-11-08 Honeywell International Inc. Flow- control assembly comprising a turbine - generator cartridge
CH705014A1 (de) * 2011-05-27 2012-11-30 Liebherr Machines Bulle Sa Energierückgewinnungssystem.
JP2013051769A (ja) * 2011-08-30 2013-03-14 Kobe Steel Ltd 動力発生装置および動力発生方法
EP2744989B1 (de) * 2011-09-19 2019-03-06 ING. ENEA MATTEI S.p.A. Verdichtung und energie rückgewinnungseinheit
ITRM20110671A1 (it) * 2011-12-16 2013-06-17 Univ Roma Sistema a ciclo di rankine organico per il recupero termico dal calore sensibile dei gas di scarico di un motore termico per autovettura
GB2497943A (en) 2011-12-22 2013-07-03 Cummins Ltd Internal combustion engine and waste heat recovery system
US8780542B1 (en) 2012-03-31 2014-07-15 Emc Corporation System and method for generating electricity from component waste heat
US10358987B2 (en) 2012-04-23 2019-07-23 Garrett Transportation I Inc. Butterfly bypass valve, and throttle loss recovery system incorporating same
DE102012210803A1 (de) 2012-06-26 2014-01-02 Energy Intelligence Lab Gmbh Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie mittels eines ORC-Kreislaufs
US9115603B2 (en) * 2012-07-24 2015-08-25 Electratherm, Inc. Multiple organic Rankine cycle system and method
US9083212B2 (en) 2012-09-11 2015-07-14 Concepts Eti, Inc. Overhung turbine and generator system with turbine cartridge
KR101886080B1 (ko) 2012-10-30 2018-08-07 현대자동차 주식회사 차량의 폐열 회수시스템
BR112015021396A2 (pt) 2013-03-04 2017-08-22 Echogen Power Systems Llc Sistemas de motor de calor com circuitos de dióxido de carbono supercrítico de alto potência útil
EP2990726B1 (de) * 2013-04-22 2017-06-07 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Kombiniertes wärme- und stromsystem
DE102013011477A1 (de) * 2013-07-09 2015-01-15 Volkswagen Aktiengesellschaft Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug
DE102013213569A1 (de) * 2013-07-11 2015-01-15 Mahle International Gmbh Anlage zur Abwärmenutzung einer Abgasanlage
US10001030B2 (en) * 2013-08-02 2018-06-19 Energy Recovey, Inc. Systems and methods for lubricating bearings of rotating equipment in gas processing systems
JP6246574B2 (ja) * 2013-12-03 2017-12-13 Ntn株式会社 フォイル軸受ユニット及びターボ機械
WO2016069707A1 (en) * 2014-10-31 2016-05-06 Modine Manufacturing Company Cooling module and rankine cycle waste heat recovery system
US10570777B2 (en) 2014-11-03 2020-02-25 Echogen Power Systems, Llc Active thrust management of a turbopump within a supercritical working fluid circuit in a heat engine system
CN104500159B (zh) * 2014-12-07 2016-01-13 北京工业大学 发动机能量综合利用系统及控制方法
US10030961B2 (en) 2015-11-27 2018-07-24 General Electric Company Gap measuring device
US10385820B2 (en) * 2016-08-22 2019-08-20 Brian Lee Moffat Wave energy device with constricted tube and generator pod
US10424416B2 (en) * 2016-10-28 2019-09-24 George Erik McMillan Low temperature thermal energy converter for use with spent nuclear fuel rods
DE102016014764A1 (de) 2016-12-10 2018-06-14 Daimler Ag Abwärmenutzungsvorrichtung
IT201700012243A1 (it) * 2017-02-03 2018-08-03 Giuseppe Caruso Dispositivo alternatore per la produzione di energia elettrica
GB201704579D0 (en) * 2017-03-23 2017-05-10 Rolls Royce Plc An electrical machine
CN107171494B (zh) * 2017-06-15 2018-07-20 苏州达思灵新能源科技有限公司 一种压缩空气涡轮直流发电机系统
EP3698059B1 (de) * 2017-10-17 2022-02-09 Supsan Motor Supaplari Sanayii Ve Ticaret A.S. Einteiliges buchsenlager für turbolader
CN108612566B (zh) * 2018-05-11 2019-07-26 浦江县力顶环保设备有限公司 一种废弃燃气发电设备
US10883388B2 (en) 2018-06-27 2021-01-05 Echogen Power Systems Llc Systems and methods for generating electricity via a pumped thermal energy storage system
US11496073B2 (en) * 2019-06-28 2022-11-08 Cupertino Electric, Inc. Recovering small scale energy in electronic systems
US11435120B2 (en) 2020-05-05 2022-09-06 Echogen Power Systems (Delaware), Inc. Split expansion heat pump cycle
SE2051385A1 (en) * 2020-11-27 2022-05-28 Climeon Ab Turbine and turbine-generator assembly with magnetic coupling
AU2021397292A1 (en) 2020-12-09 2023-07-06 Supercritical Storage Company, Inc. Three reservoir electric thermal energy storage system
CN115163669B (zh) * 2022-07-15 2023-07-18 东方电气集团东方电机有限公司 轴承润滑系统运行方法、旋转设备以及计算机可读存储介质

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3234735A (en) * 1964-04-10 1966-02-15 Babcock & Wilcox Co Power plant cycle
JPS53132638A (en) * 1977-04-25 1978-11-18 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Power recovery system
DE2743830C2 (de) * 1977-09-29 1984-03-22 Saarbergwerke AG, 6600 Saarbrücken Verfahren zum Betreiben einer kombinierten Gas-Dampfkraftanlage und Gas-Dampfkraftanlage zur Durchführung des Verfahrens
US4363216A (en) * 1980-10-23 1982-12-14 Lucien Bronicki Lubricating system for organic fluid power plant
DE3225140A1 (de) * 1982-07-06 1984-01-12 Brown, Boveri & Cie Ag, 6800 Mannheim Verfahren zum betreiben eines mit einer wirbelschichtfeuerung ausgeruesteten dampfkraftwerkes, insbesondere heizkraftwerkes
JP3147549B2 (ja) * 1992-11-20 2001-03-19 石川島播磨重工業株式会社 動翼および静翼の製造装置
AU5109998A (en) * 1996-12-04 1998-06-29 Austrian Energy & Environment Sgp/Waagner-Biro Gmbh Method for generating energy by means of internal combustion engines and waste heat boilers located downstream
US6571548B1 (en) * 1998-12-31 2003-06-03 Ormat Industries Ltd. Waste heat recovery in an organic energy converter using an intermediate liquid cycle
JP2001271609A (ja) * 2000-01-18 2001-10-05 Honda Motor Co Ltd 内燃機関の廃熱回収装置
US6960839B2 (en) * 2000-07-17 2005-11-01 Ormat Technologies, Inc. Method of and apparatus for producing power from a heat source
JP3854156B2 (ja) * 2002-01-15 2006-12-06 株式会社日立製作所 再生式ガスタービンコンバインドサイクル発電システム

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012202052A1 (de) * 2012-02-10 2013-08-14 Robert Bosch Gmbh Turbine mit einem Leistungsüberträger
DE102012202052B4 (de) * 2012-02-10 2014-02-27 Robert Bosch Gmbh Turbine mit einem Leistungsüberträger
DE102012204265A1 (de) * 2012-03-19 2013-09-19 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Wärmekraftmaschine
DE102012222010A1 (de) * 2012-11-30 2014-06-05 Robert Bosch Gmbh Expansionsmaschine
DE102014203871A1 (de) * 2014-03-04 2015-09-10 Robert Bosch Gmbh Laufrad für eine Turbine
DE102015205452A1 (de) * 2015-03-25 2016-09-29 Mahle International Gmbh Lageranordnung zur Lagerung einer Laufrad-Welle
DE102015208859A1 (de) * 2015-05-13 2016-11-17 Mahle International Gmbh Fahrzeug
US10427528B2 (en) 2015-05-13 2019-10-01 Mahle International Gmbh Vehicle
DE102017009978A1 (de) * 2017-10-26 2019-05-02 Jan Wasseveld Maschinensystem zur Energieumwandlung in einem ORC(Organic-Rankine-Cycle)-Kreislauf unter Verwendung eines Kunststoffes.
DE102019207957A1 (de) * 2019-05-29 2020-12-03 Thyssenkrupp Ag Vorrichtung und Verfahren zur Nutzung von Niedertemperaturwärme durch Auskoppeln der Niedertemperaturwärme aus Prozessgas sowie Verwendung

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Publication number Publication date
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DE602004011087D1 (de) 2008-02-14
EP1668226B1 (de) 2008-01-02

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