EP0173683A1 - Verfahren und vorrichtung für einen thermodynamischen kreisprozess - Google Patents

Verfahren und vorrichtung für einen thermodynamischen kreisprozess

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EP0173683A1
EP0173683A1 EP84901325A EP84901325A EP0173683A1 EP 0173683 A1 EP0173683 A1 EP 0173683A1 EP 84901325 A EP84901325 A EP 84901325A EP 84901325 A EP84901325 A EP 84901325A EP 0173683 A1 EP0173683 A1 EP 0173683A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
working fluid
state
pressure
temperature
fluid
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP84901325A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Joseph Wilensky
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Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP0173683A1 publication Critical patent/EP0173683A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K19/00—Regenerating or otherwise treating steam exhausted from steam engine plant
    • F01K19/02—Regenerating by compression
    • F01K19/08—Regenerating by compression compression done by injection apparatus, jet blower, or the like
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K21/00—Steam engine plants not otherwise provided for
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point

Definitions

  • the invention relates generally to the recovery of useful work by means of a polytropic expansion of working fluids by means of reversible adiabatic expansion.
  • the invention relates to a method for returning such working fluids to their original thermodynamic states by means of an approximately isenthalpic compression, followed by heating, in particular by using environmental heat sources.
  • thermodynamic laws are first explained, followed by a consideration of these considerations with regard to the subject matter of the invention by means of thermodynamic maps, diagrams and supporting mathematical formulas. Finally, for example, physical embodiments of the subject matter of the invention are placed in a working medium in order to show how favorable results can be obtained.
  • T 1 the thermodynamic absolute temperature after the total heat input
  • T 2 the thermodynamic absolute temperature after the decrease in heat
  • Equation 1 can now be viewed in its true perspective: W / Q, the conversion ratio of work into heat in a single pass of the working fluid through a thermodynamic cycle approaches the value 1 either when the higher temperature becomes very high or the low temperature becomes very low.
  • thermodynamic variable the temperature T expressed in degrees Rankine as the linear ordinate and the thermodynamic variable, the entropy S in BTU / lb.-degrees Rankine as the linear abscissa.
  • Isobars combine values in pairs. the coordinates at the same pressure kp expressed in 0.454 kg / 6.45 cm 2 absolute. Isenthalpic lines connect in pairs
  • a more solid, dome-shaped, curved line shows the limit state of the vapor-liquid equilibrium, in which the vapor and liquid phases of a chemical compound in the absence of another compound simultaneously and connecting to each other can be present. Pairwise values of the coordinates which are included below this limit value give the values of the coordinates for the algebraic combination of the properties of the liquid and the vapor in the phase envelope in their present proportions. It is particularly important to note here the effect that the presence of more than one chemical compound has on the interpretation of the parameters and variables of this diagram. Those skilled in the art will recognize that a further degree of freedom is available for each additional chemical compound present.
  • the highest point CP of the phase envelope is called the "critical point”, the value of the ordinate at this point is the “critical temperature” and the pressure value along the isobars through this point (and tangent to the envelope at this point) is the critical pressure.
  • the fluid is completely in the gaseous state and cannot be condensed in any way unless it is cooled below this temperature.
  • the area below the temperature, as enclosed by the axes and the left side of the phase envelope, is completely fluid.
  • steam can be generated by combinations of finite changes in temperature and pressure and is referred to as "supercooled”.
  • the liquid is said to be "saturated” and any increase in temperature or decrease in pressure will result in some evaporation.
  • the area below the critical temperature and to the right of the phase envelope consists entirely of steam. In the body In this area, finite changes or a decrease in temperature and / or an increase in pressure can lead to condensation. The steam in this area is called “overheated”.
  • the vapor is said to be “saturated” in such a way that any decrease in temperature or pressure leads to condensation.
  • phase envelope an area of mixed vapor and liquid phases.
  • the isobars run horizontally, i.e. parallel to the abscissa and connect points on the envelope with identical temperature and pressure, which are referred to as "saturation temperature” and “saturation pressure” or "vapor-liquid equilibrium temperature and pressure".
  • quality defined as the mass fraction of steam in the mixed phase area can be determined completely for each of the thermodynamic functions within the vapor-liquid envelope by linear algebraic interpolation of the values for the function of the pure phases of a single chemical compound at saturation. For mixtures, this ratio will generally not be linear. Lines of constant composition, however, which are not necessarily horizontal, can be drawn in the area for easy calculation.
  • Such a diagram of the temperature versus entropy expediently describes the thermodynamic states through which the cycle according to the invention passes.
  • the state A represents the point of the highest pressure P 1 and the temperature T 1 of the working fluid.
  • State B represents the point of the lowest pressure P 2 and the temperature T 2 .
  • State B may originally fall within the vapor liquid phase envelope, as shown in FIG. 1, or may originally fall outside the envelope and is then pressed into the envelope by various methods discussed below.
  • the working fluid in state B is commonly referred to as the "exhaust steam” (the same is also referred to as waste fluid or low temperature working fluid).
  • the state C represents the nominal high pressure P 3 at the average temperature T 3 .
  • state C could also be outside the phase envelope or within it to the left of the saturated vapor line, see Figure 1.
  • Any given state B is connected to any given state C by a constant enthalpy line.
  • Other points X, J, CP, B 'and C' are also explained to explain certain theoretical considerations of the subject matter of the invention.
  • state B is somewhere on the diagram where the working fluid has at least partially evaporated and the temperature of which is lower than the critical temperature.
  • state B is to be understood to include state B ', which is at the same temperature but at a higher enthalpy than state B.
  • state C is to be understood to include the "2 ⁇ stand C ', which is at the same pressure but at a different enthalpy than the state C.
  • the state C lies on the same line of constant enthalpy, however, at a higher pressure than the state B '.
  • point X means a state along the saturated liquid boundary of the fluid Phases enveloping.
  • the special location according to FIG. 1 is that of the state of the saturated liquid at the temperature and the pressure of state B.
  • thermodynamic paths from state A to state B and from state C to state A are generally known.
  • Methods and devices for transferring the working fluid from state B to state C represent the essential subject of the invention. Nevertheless, the paths from A to B and C to A have important interactions with the subject of the invention and require an explanation.
  • Starting with state A there is a working fluid with high pressure and an achievable temperature.
  • This working fluid can expand in any way, from a state without back pressure to a back pressure that practically does not allow expansion, so that there is only a differential tendency to expand.
  • the former or "free” expansion does not need to overcome any resistance and thus practically the entire energy content is retained, so it is by definition an isenthalpic process.
  • the same is referred to as "irreversible” and represents a substantially horizontal movement to the right of a point such as point A, with a temperature loss only in the amount of pressure loss in volume of the working fluid.
  • the perfect isentropic response would be represented on the diagram by a vertical movement from point A to point B.
  • This practical approach to isentropic expansion is often referred to as "polytropic" expansion.
  • each expansion device which belongs to the prior art and which is adapted to the expansion stages along the path from A to B '. Expansion through a turbine to form work on the output shaft is a general example.
  • the invention also contemplates using expansion devices which result in the path from the A to the point B 'progressively entering the vapor-liquid phase envelope , thereby avoiding the shock and vibration caused by the abrupt contraction caused by concentration in the turbine channels. Care must be taken, however, that point B never enters an area where some of the working fluid could solidify. This means that the condition of the condition must never drop below the triple point of the working fluid.
  • cryogenic methods known as Joule-Thompson free expansion or Joule-Thompson device expansion designations can be used to convert the working fluid into the vapor-liquid phase envelope and / or along the path from point B to point C because they are able to form extremely low temperatures that are only limited by the efficiency of the insulation.
  • Joule-Thompson free expansion or Joule-Thompson device expansion designations can be used to convert the working fluid into the vapor-liquid phase envelope and / or along the path from point B to point C because they are able to form extremely low temperatures that are only limited by the efficiency of the insulation.
  • the application may vary von Joule-Thompson expansion systems prove to be advantageous in the practical implementation of the subject matter of the invention.
  • thermodynamic, mechanical and thus economic advantages of the subject matter of the invention can be obtained by comparing the alternatives of the way back from B to A. If the working fluid were directly recompressed, there would essentially be a course along the same vertical path (i.e. from point B to point A) since the fluid must again receive all of the work that did the same during isentropic expansion. If the path runs from point B to point X and then from point X to point A, the latent heat of vaporization should be eliminated when point X is reached.
  • the introduction of an "abbreviation" is provided so that as much of the effluent as possible is liquefied in an incompressible state, but in any case the pressure of the working fluid must be built up again without the temperature of the polytropic compression rising. This is possible because increasing the pressure of any incompressible liquid can be accomplished without the need for work. Limiting the rise in temperature also significantly reduces the work required to repressurize the working fluid.
  • the working fluid in state B is non-condensable, it would be possible to consider "free recompression" by constantly cooling the fluid by maintaining a constant temperature in the fluid during compression. As with the Joule-Thomps expansion, the fluid would experience a small increase in enthalpy. In the case of a condensable fluid, however, an increase in pressure is accompanied by condensation, and the resulting release of the latent heat of vaporization leads to an increase in temperature. So the analog to the isothermal compression of a non-condensable gas is the isenthalpi see compression of a condensable gas. In a sense, this is the compression counterpart of irreversible or "free" expansion.
  • the main object of the subject matter of the invention is to avoid wasting the latent heat of vaporization that occurs in conventional heating processes.
  • the method according to the invention is an isenthalpic compression in the manner described and on the basis of the reasons given above.
  • this method frees the system from the limitations of a heat sink and thus the general limitations of the Carnot cycle are not present, although they are the same still prevails in a local sense during the repressurization. Furthermore, this freedom extends to the temperature value at which the cycle is carried out, and thus the sources that can be made available for the supply of the thermal energy for the conversion into useful work. The latter is a consequence of the choice regarding the arrangement of suitable working fluids and circumstances regarding the suitable arrangement of states A, B, and C in and around the phase envelope.
  • the means to achieve this isenthalpic compression is to apply a large amount of an incompressible liquid that is miscible with the working fluid under the conditions that exist in a suitable compression device.
  • every small pressure step can be viewed as an isothermal compression of the working fluid.
  • part of the working fluid will condense and give off its latent heat of vaporization to the large amount of liquid where it will be absorbed as sensible heat.
  • the temperature of the entire system rises to the saturation temperature that corresponds to the new higher pressure.
  • the end result of the overall process will be a vessel that contains a liquid and a vapor phase at the pressure of state C and ent speaking saturation temperature for the liquid and vapor, which consist of a single chemical compound.
  • the temperature and composition of the two phases will correspond to the vapor-liquid equilibrium at the given pressure. This means that the characteristics of each phase on and inside the vapor-liquid envelope vary according to the relative proportion of the different chemical compounds present. In any event, under the conditions properly chosen, the amount of original working fluid will appear as the total vapor plus excess liquid versus the amount of compressible liquid introduced.
  • thermodynamic cycle Since one tries to "close” the thermodynamic cycle, it follows that the amount of liquid has to be circulated. Therefore the composition of the liquid must be constant (and therefore the two-phase working fluid due to the material balance). This is actually the case, since the nature of the system described will attempt to form a constant composition of the two phases in the state of equilibrium. Another limitation, however, is inherent in a closed cycle: the circulating fluid can only be in a saturated state in state C, unless heat is removed from it during circulation at a location outside of the compression system.
  • the pressure according to state C is reached as a single vapor phase, which contains the entire latent heat of vaporization of the working fluid, but which has been used uselessly in the evaporation of an now useless amount of liquid.
  • the more likely possibility is that a condition is reached in the vessel where the liquid does not evaporate completely, but a second liquid phase is formed in the vessel which is saturated at the present pressure.
  • a second liquid phase is formed in the vessel which is saturated at the present pressure.
  • the final conditions can be calculated using conventional methods and it can be seen that a certain minimum amount of liquid must be used for each condensation that occurs.
  • the overall result of this idealized system is that the working fluid consisting of all of the vapor combined with excess liquid of the system in a composition and amount has been fed to state C due to the action of a circulating liquid in a process that is in a closed thermodynamic cycle can be applied.
  • the large amount of liquid that is temporarily used to absorb the latent heat of vaporization acts here as a carrier, like a flywheel for the working fluid, thereby limiting its temperature rise and preventing overheating.
  • the two fluids are kept at the same temperature during compression.
  • the working fluid is energized by making a thermal, but not a physical, connection with a large amount of a circulating, incompressible fluid (also referred to as the "mobile fluid” or “mobile fluid”) during a process of direct compression of the working fluid vapor.
  • a circulating, incompressible fluid also referred to as the "mobile fluid” or “mobile fluid”
  • mobile fluid any working fluid liquid can be pumped directly at state B and so there is no problem in terms of energy waste.
  • a typical device for performing this operation would be a conventional isothermal compressor that circulates the moving liquid through the channels of its cooling jacket, pressure being applied to the liquid by means of a flow restrictor to prevent premature evaporation.
  • the mobile fluid carries out its functions while running between an energetic and a non-energetic state.
  • the term "energetic or energized” as used herein means that part of the total energy that is consumed when each fluid is returned to its highest pressure state, regardless of temperature.
  • the amount of mobile fluid can be obtained from various sources such as an external feed stream, recirculation of certain internal or external elements, condensation of excess working fluids, etc.
  • the freedom to give off heat from the mobile liquid must be included for economic and practical reasons. This measure allows a wide range of work ... and moving fluids at desired thermodynamic conditions, direct deflection at compression levels, circulating quantities, using parasitic energy, size of the overall system and the highest possible profit.
  • this method receives both outflowing fluid streams from isenthalpic compression into a vessel that is used as a phase separator, with current pressure being kept on the working fluid vapor while the fluids are physically mixed and separated in liquid and vapor phases in physical and chemical equilibrium.
  • a typical device used for this purpose is a conventional disengaging drum equipped with an inlet liquid spray nozzle, a vapor phase back pressure control, an internal defogger mesh blanket, a liquid height control and two liquid bottom pumps. A pump would circulate the moving fluid under flow control. -Pump the other, below liquid level control, excess liquid downstream to combine all of the vapor product as the working fluid amount and composition.
  • additional measures can be applied to supply the working liquid and / or the physical interaction and mixing of the two liquids with energy.
  • several direct compression stages can be used. Where economic or particularly advantageous conditions exist in the phase resolution, some of the interaction and mixing can take place by nozzle extraction of the vapor from the working fluid into the mobile liquid before and / or following a stage or stages of direct compression.
  • the energy supply to the working fluid can be effected by the nozzle trigger itself.
  • a typical device for the latter modes of operation would be a commercial water heater that is normally used as a boiler heater.
  • the mobile liquid can be pumped to a sufficiently high pressure so that it can be cascaded through more than one stage of energy delivery and physical combination of the two fluids
  • thermodynamic cycle that can do useful work, with the following essential work steps:
  • the second general method provides the working fluid with energy by communicating and mixing a large amount of a circulating, incompressible, mobile fluid of selected composition (also referred to as "moving fluid” or “moving fluid”) with the working fluid to be recompressed.
  • This amount and composition can be obtained in a variety of ways, such as an out-of-system stream, recirculation of an internal particular stream or external components, condensation of excess working fluid, etc.
  • the mobile fluid serves as a solvent, the contains the working fluid as the only liquid phase, thereby preventing evaporation and / or overheating of the working fluid, and the working fluid and the mobile fluid are kept at equal temperatures and pressures.
  • the mobile fluid as a selected, higher boiling solvent for the working fluid, in the intended large amount, serves to reduce the partial pressure of the working fluid to a value such that the vapor pressure of the combined liquid is less than the total pressure of the environment.
  • the mobile fluid only performs functions while moving between energized and de-energized states.
  • the term "provided with energy” used here includes that part of the total energy which is required to bring the working fluid into state A again, as is reflected by the pressure increase required to reach state C.
  • the corresponding sequence of the connection, mixing and pumping of the working and mobile fluids is determined in this method by the presence of mobile and working fluids of different compositions.
  • the connection and mixing of the fluids is achieved in the course of dissolving the working fluid in the mobile fluid. Which the resulting single liquid phase is then pumped and the mobile fluid has served as a solvent carrier for the working fluid.
  • Dissolving (connecting and mixing) can be accomplished by:
  • the distillation device used according to the invention can be any relevant device, such as a simple, single-stage flash evaporator device, via a multi-stage extraction device (distillation without reflux) up to a multi-stage fractionation device which works with complete rectification.
  • a gasoline stabilizer can be conveniently used as an isenthalpic compressor for the training of useful work without impairing its original functions.
  • One begins by estimating the total capacity of the steam flow systems in relation to the total output and thus determining that there is unused capacity. This amount is withdrawn from the fractionator steam flow line as the working fluid. Additional heat can be added as long as it is available.
  • the superheated steam is expanded to state B in a polytropical device at full stabilizer pressure.
  • the working fluid can then also be used as a coolant to an extent limited only by vapor pressure conditions since it is then returned directly to the suction side of the pump as a recycle stream.
  • the positive suction requirements of the pumps are taken into account and an amount of the gasoline distillation residue is withdrawn before transfer to a reservoir for return to the suction side of the pump in such a way that the positive suction requirements are met.
  • a gasoline stabilizer is used as an isenthalpic compressor
  • the working fluid within this pump is brought from state B to state C.
  • State A is reached after additional heating in the fractionator in a manner which is common in rectification.
  • the amount and composition of the working fluid such as propane
  • the amount and composition of the mobile liquid, ie gasoline is rebuilt in the liquid still.
  • the working fluid is switched from state B to state C by energy transfer (corresponding to a pressure P 3 approximating P 1 and a temperature T 3 between the temperatures T 1 and T 2 ) such that T 2 ⁇ T 3 ⁇ T 1 ) which can lie within the vapor-liquid phase envelope by a) contacting and mixing the working fluid with a large amount of a mobile liquid as a solvent so that the two fluids are converted into a single liquid phase and b) pumping the combined liquid phase to the pressure P 3 and temperature T 3 reaching state C for the working fluid,
  • FIG. 2 is a schematic flow diagram of a direct compression system in which a large amount of mobile fluid is used to approximate isenthalpic compression from state B to state C in the manner of the present invention. Alternatives are also shown in this diagram and show some of the optional, more complex variations from the basic and simplest system.
  • Figure 3 is a schematic flow diagram showing a phase separation drum along with one of many possible configurations of the Joule-Thompson expansion systems for the formation of a quantity of supercooled mobile liquid. An alternative is shown by which the mobile fluid can be completely recovered using parasitic energy.
  • Own 4 is a schematic flow diagram of a distillation system using a soluble gas and solvent to transition from state B to state C in the manner of the present invention.
  • the dome-shaped curve shows the boundary of the vapor-liquid phase area, whereby the liquid and vapor phases can exist simultaneously.
  • the states A and B and C are in example relative positions.
  • the state A represents the point of the highest pressure P 1 and the temperature T 1 .
  • the state B represents the point of the highest pressure P 2 and the temperature T 2 .
  • the state C corresponds to the nominally high pressure P 3 , which approximates P 1 , and one medium temperament T 3 such that T 2 ⁇ T 3 ⁇ T 1 .
  • Points B, CP, J, C and X are also given to illustrate certain theoretical points, as discussed above.
  • the "isenthalpic compression" is approximated in the manner according to the invention for the reasons explained above.
  • the states A, B and C also serve as important reference points with regard to the above explanation of exemplary devices by means of which the isenthalpic compression according to the invention can be achieved.
  • FIG. 2 shows three systems with increasing complexity, which use the teaching according to the invention.
  • the central step of energy transfer to the working fluid namely the approximate isenthalpic compression from state B to state C is explained together with some possibilities for the recovery of the mobile fluid, since the subsequent work steps towards state A and C are familiar to the person skilled in the art.
  • the letters B and C represent the state points of the working fluid in relation to the thermodynamic diagram according to FIG. 1.
  • the first system represents the exceptionally simple case of state B of the working fluid fairly inside the phase envelope, ie there is a considerable amount of liquid phase.
  • the working fluid arrives through line 46 and enters the low pressure reservoir.
  • the liquid fraction is fed through line 2 to the suction side of induction pump 3, where it is energized and released through line 4 to connection point 4a in state C.
  • the vapor portion is drawn through line 6 to the suction side of compressor 51, where it is compressed and discharged through line 52 to junction 4a in state C. In this case it can move fluid can be switched off practically, since a significant advantage is achieved in that only part of the working fluid has to be compressed.
  • the second case concerns the general situation of a moderately low pressure working fluid and the required compression ratio.
  • This is shown by the dashed lines and movable liquid is supplied from the outlet line 4 of the cooling pump 3 through line 5 to the cooling jacket 47 of an "isothermal" compressor 51,. where it is kept under a pressure that maintains the liquid state through the throttle valve 49.
  • the coolant fluid leaves the cooling jacket through line 48, valve 49 and line 50 and, in the state imparting energy, is partially supplied to the connection point 4a through line 53, with a quantity being returned through line 54 to reservoir 1.
  • the third case which is represented here by the long dashed lines in FIG. 2, is particularly expedient in the case where different chemical compounds are present in the fluids. Particular care must be exercised here such that there is intimate contact between the two energized fluids so as to rebuild both chemical and physical vapor-liquid balance. This is accomplished by returning all of the coolant flow through line 54 to the reservoir from compressor 51 and cooling jacket 47. A further quantity of liquid is circulated by the coolant pump 3 and passed through the line 21 from the pump outlet 4. This liquid is supplied to the liquid inlet of the nozzle reductor 22, and thereby the working fluid is supplied from the compressor outlet 52 through line 23 to the eductor. There, the fluids are intimately mixed with one another and fed together through the educt outlet 53a to the connection point 4a in state C.
  • phase separation effects are shown, for example, in FIG. 2 inside the low-pressure reservoir 1.
  • the essential high-pressure phase separation in state C is shown in more detail in FIG. 3.
  • moveable liquid is withdrawn through line 109, control valve 127 and line 97 and is delivered to suction line 111 of liquid pump 96, where this liquid is energized and released through line 104 to the inlet of the eductor 100 becomes.
  • the working fluid flows to the suction inlet 108 of the eductor 100 through line 46.
  • the fluids are mixed and a further increase in the pressure of the working fluid can be achieved.
  • the combined fluids at the eductor outlet 110 are dispensed through line 94 to the spray nozzle 92 in the vapor space 95A of the drum 95.
  • the liquid entrained in the resulting equilibrium vapor is caused to fall out through the network 91, while the vapor continues to flow through the control valve 93 and the line 99 in the state C. All liquid collects in the drum where the mirror height control device 101 actuates the control valve 102, thereby ensuring that a flow of excess liquid against the moving liquid is maintained.
  • the net amount of working fluid in liquid state C is delivered to the process through line 98.
  • the physical shape of the drum may be the same or modified with respect to a vertical heat exchanger (not shown) with a vapor separation space.
  • This flow pattern is modified by restricting the flow through the control valve 125, redirecting the moving liquid through line 102 and through throttle valve 121 where an on divide in liquid and vapor in amounts that depend on the pressure.
  • the fluids enter the low-pressure drum 120, from where a supercooled mobile liquid is supplied to the suction part 111 of the pump 96 through the line 126.
  • the cooled steam exits the low pressure drum 102 through line 122 and is fed to the submerged cooling coil 112 which pre-cools the moving liquid.
  • This self-heated steam if it is present in sufficient small quantities, can be discharged through line 10 or, if the pressure is sufficiently high, it can be supplied again via line 113 to the working fluid.
  • parasitic energy (not shown) can be used to recompress this returned fluid, followed by environmental cooling (not shown) before returning to the suction end 108 of the eductor.
  • Figure 4 shows the normal operation for the removal of propane from gasoline and shows that gasoline containing propane enters through line 201 due to suction end 202 of pump 203.
  • the stream is delivered to heat exchanger 205 through line 204 and flows through line 206 to distillation column 207 which removes the propane.
  • the liquid bottom fraction of this column can be withdrawn through line 208 and brought to boil again in exchanger 209.
  • the net heat Q 3 is given to the system here.
  • the escaping product from this mixed phase heat exchanger enters the lower vapor space of column 207 through line 210 and a liquid portion is withdrawn from the bottom space through line 211 and fed to heat exchanger 205.
  • the bottom fraction of gasoline is obtained from the product coming from the heat exchanger 205 and cooled in a water subcooler 221, in which the heat Q 4 is removed from the system, and through line 242 the pure gasoline product is supplied to a storage, not shown.
  • portions of the steam flow are temporarily drained from line 212 through line 243 and fed to the announcement portion of expansion turbine 232 or expansion device, not shown.
  • the part of the steam stream drawn off through line 243a can be fed to a plant for the recovery of waste heat, which is shown in FIG. 2 as coil 229 in a chamber of a process heater 203, so as to provide convection heat and / or recover additional heat capacity that is not currently being used.
  • additional heat Q 2 is introduced into the system.
  • the superheated steam leaving the plenum chamber through line 231 is then supplied to the suction part 232 of the expansion device 233.
  • the possible uses of such waste heat can be further improved in the following way.
  • vapor stream product from column 207 is transferred through line 215 to device 216.
  • Appropriate amounts of liquid are then withdrawn in a side stream through line 226 in accordance with the excess heat available and finally re-fed as an increased flow through the propane removal device.
  • the identical amount of vapor product is available for reflux treatment so that the recovered propane can be delivered to a warehouse.
  • part of the propane carried in the process is taken up by the pump 227 by means of the line 226 and discharged through the line 228. This product is fed to the inlet of the heat recovery system 230 and, as discussed above, enters the expansion device 233 through lines 231 and 232.
  • the expansion device is rotated by the working fluid, resulting in typical operations such as rotating the shaft 234, which in turn drives a transmission gear 235, shaft 236 and generator 237, whereby the cycle process produces a network power W.
  • the product exiting the expansion device 233 is delivered through line 238 to the heat exchanger 239 which is a source of environmental heat, but is particularly valuable due to the provision of temperatures substantially below the ambient temperature. In the course of such cooling, the heat Q 1 is supplied to the system.
  • the circulating volume of the working fluid in the vapor phase is then discharged through line 240, line 225 and fed to the suction portion 202 of the main feed pump 203 or generally to the isenthalpic compression system 223.
  • a further modified embodiment is available for an increased circulation capacity of the working fluid: it is an increase in the gasoline circulation.
  • quantities of product gasoline at the outlet of the water cooler 221 can be drained off temporarily as they eventually reappear at this point due to the return in the overall flow.
  • identical gasoline production will still be available through line 242 and can be stored.
  • the derived gasoline which is under the working pressure of the propane removal device minus small frictional losses, appears as a moving liquid at the inlet nozzle of the nozzle mixer 223.
  • the vaporized working fluid in line 240 is not supplied to line 225, but is removed via the suction part 241 of mixer 223, and the combined streams are fed through outlet 224 to line 225 for recirculation.

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Description

Verfahren und Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess
Die Erfindung betrifft allgemein das Gewinnen von Nutzarbeit vermittels einer polytropen Expansion von Arbeitsfluiden vermittels reversibler adiabatischer Ausdehnung. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren für die Zurückführung derartiger Arbeitsfluide in deren ursprüngliche thermodynamischen Zustände vermittels einer angenähert isenthalpischen Kompression, mit anschließendem Erwärmen, insbesondere durch das Anwenden von Umweltwärmequellen.
Die Gewinnung von Nutzarbeit durch Erwärmen und Verdampfen von Flüssigkeiten einschließlich kryogener Flüssigkeiten unter Druck und sodann Expansion unter Abgabe von Dämpfen ist allgemein bekannt. Dieser Stand der Technik wird durch die US-Patentschriften 3 451 342 und 3 987 632 wiedergegeben. Diese Arbeitsweisen und insbesondere diejenigen, die dazu ausgelegt sind, Umweltwärmequellen zu benutzen, nehmen eine kontinuierliche Zuführung des Arbeitsfluids von äußeren Quellen an und befassen sich nicht mit der erneuten Kompression und Kondensation der Abgasdämpfe zurück in den flüssigen Zustand, um so einen "geschlossenen "thermodynamischen Kreisprozess zu erreichen. Bei Systemen nach dem Stand der Technik, die sich damit beschäftigt haben, das Problem des Schließens des Kreisprozesses zu lösen, wie gemäß der US-Patentschrift 3 287 901 sind die mit der erforderlichen Abführung der als latente Verdampfungswärme abgegebenen Wärme oder der durch die mechanische Ausrüstung, die in dem Kondensationsraum eingekapselt ist, verbundenen Probleme nicht gelöst worden. Bei weiteren Systemen wie gemäß der US-Patentschrift 3 861 151, die versuchen, derartige Erfordernisse der Wärmeabführung zu vermeiden, werden Annahmen dahingehend gemacht, daß geeignete Arbeitsbedingungen für gegebene Arbeitsfluide gefunden werden sollen, die die Wärmeabführung überhaupt vermeiden. Wenn derartige geeignete Bedingungen existieren würden, würden dieselben keine optimalen oder notwendigerweise sogar zweckmäßige Bedingungen für den Betrieb des Kreisprozesses darr stellen. Weiterhin ist es fraglich, daß einderartiger Betrieb möglich wäre im Hinblick auf die Bedingungen des Zweiten Thermodynamischen Gesetzes.
Zum Verständnis der Erfindung seien zunächst bestimmte theoretische Überlegungen der thermodynamischen Gesetze erläutert, woran sich anschließt eine Betrachtung dieser Überlegungen im Hinblick auf den Erfindungsgegenstand vermittels thermodynamisσher Karten, Diagramme und unterstützen mathematischer Formeln. Schließlich werden beispielsweise physikalische Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes in ein Arbeitsmedium gebracht, um so zu zeigen wie günstige Ergebnisse erhalten werden können.
Die theoretische Überlegung muß mit der Erkenntnis beginnen, daß bei allen Versuchen Arbeit aus Wärme zu erhalten, der Begriff der Kraft unumgänglich ist. Damit derartige Verfahren kontinuierlich sind, kann eine angenommene nicht erschöpfbare Kraftquelle nur durch eine Kraftquelle ersetzt werden, die nach ihrer Erschöpfung wieder aufgefüllt wird. Innerhalb dieser Offenbarung bedingt diese Aussage das Zirkulieren eines Arbeitsfluids bei hoher Temperatur und Druck unter Abgabe von Arbeitsenergie, sowie Abgabe an eine niedrige Temperatur und Druck. Das Arbeitsfluid muß sodann durch erneutes Unterdrucksetzen und Erhitzen in den ursprünglichen Zustand erneut mit Energie versehen werden, um den Kreisprozess zum Abschluß zu bringen. Wenn sich alle diese Arbeitssσhritte perfekt abspielen würden, würde das Verhältnis von Wärme- zu Arbeitsumwandlung unabhängig von dem Weg, den Vorrichtungen und den Zwecken werden und lediglich von den thermodynamischen Zuständen des Arbeitsfluid abhängen. Das eindeutige Ergebnis eines derartigen Energie-Kreisprozesses, soweit perfekt ausgeführt, würde darin bestehen, daß lediglich die aus der Gesamtwärme im Verlaufe der Expansion entfernte Wärme in Arbeit umgewandelt würde Wenn zusätzlich Wärme entfernt wird, wären beide Wärmemengen zu ersetzen, um wieder auf die Gesamtwärme zu kommen. Diese Vorstellung ergibt die folgende allgemein bekannte Beziehung (unter Benutzen der thermodynamischen Temperaturskala) :
wobei: W = geleistete Arbeit Q = gesamte zugeführte Wärme
T1= die thermodynamische absolute Temperatur nach der gesamten Wärmezufuhr
T2= die thermodynamische absolute Temperatur nach der Wärmeabnahme
Dieses Verhältnis von Wärme zu Arbeit wird oft als der Carnot Grenzwert bezeichnet und T2 ist oftmals als die "Wärmesinktemperatur" bezeichnet und als ein Punkt unbegrenzter Wärmebeseitigung bezeichnet worden, und zwar so groß, daß durch eine derartige Wärmebeseitigung praktisch keine Beeinflussung erfolgt. Diese Schlußfolgerung wird erreicht im Hinblick darauf daß der in der Gleichung 1 beschriebene Kreisprozess gezwungen ist, Wärme bei der Temperatur T2 abzugeben. Daß derselbe Wärme bei einer bleibenden, nicht beeinflußten niedrigeren Temperatur abgeben muß, hat eine nicht überwindbare Begrenzung ergeben, durch die die erneute Anwendung der so abgegebenen Wärme verhindert wird. Bisher ist das erneute Unterdrucksetzen des Arbeitsfluids ohne die gesamte Arbeitsleistung nur erreicht worden durch den endgültigen Verlust der latenten Verdampfungswärme.
Der Erfindungsgegenstand weist viele Aspekte und Anwendungen auf, die wichtigste und grundsätzliche Lehre geht dahin, daß das Erfordernis nach einer "Wärmesenke" als die notwendige Interpretierung der unteren Temperatur in der Gleichung
W/q = (T1-T2)T1 nicht-unveränderlich wahr ist, und weiterhin trifft dies auch auf deren Interpretation als ein Grenzwert zu. Wenn es auch weiterhin wahr ist, daß im Verlaufe eines einzigen Durchlaufens durch einen thermodynamischen Kreisprozess die gesamte durch das Arbeitsfluid zwischen Temperaturextremen umschlossene Wärmemenge nur die nach der Gleichung 1 zur Verfügung stehende reine Arbeit bilden kann, ist es nicht notwendigerweise wahr, daß die verbleibende Wärme verloren gehen muß oder unwiderruflich ausscheidet. Durch isenthalpische Kompression kann dieselbe als zurückzuführender Wärmebestandteil aufrechterhalten werden, wobei ein Ergänzen durch zusätzliche Wärme erfolgen kann, sowie dieselbe als ein Träger erneut angewandt werden kann, durch den ein zusätzlicher Wärmeanteil abgeonsdert und für das Ausbilden von Nutzarbeit mit hohem Wirkungsgrad angewandt werden kann.
Der Träger für das Erreichen dieses Ziels ist eine große Menge beweglicher Flüssigkeit, die die Restwärme des Arbeitsfluids absorbiert und auf einen Druck bringt, der sodann für das Bilden von Nutzarbeit zur Verfügung steht. Somit ist das Verfahren zur Gewinnung von Arbeit aus Wärme nicht länger an eine örtliche Umweltstemperatur wie eine Wärmesenke gebunden. Dies ermöglicht es, die Arbeitsleistung an jeder geeigneten Stelle des Temperatur Spektrums abzuleiten . Somit kann nunmehr die Gleichung 1 in ihrer wahren Perspektive betrachtet werden: W/Q, das Umwandlungsverhältnis von Arbeit in Wärme bei einem einzigen Durchgang des Arbeitsfluids durch einen thermodynamischen Kreisprozess nähert sich dem Wert 1 entweder wenn die höhere Temperatur sehr hoch wird oder die niedrige Temperatur sehr niedrig wird.
Die obigen theoretischen Überlegungen lassen sich klären, wenn dieselben in Beziehung gesetzt werden zu einem thermodynamische Diagram, wie in der Figur 1 wiedergegeben, wobei die thermodynamische Variable, die Temperatur T ausgedrückt in Grad Rankine als die lineare Ordinate und die thermodynamische Variable, die Entropy S in BTU/lb.-Grad Rankine als die lineare Abszisse wiedergegeben ist. Isobaren verbinden paarweise Werte . der Koordinaten bei gleichen Druckkp ausgedrückt in 0,454 kg/ 6,45 cm2 absolut. Isenthalpische Linien verbinden paarweise
Werte der Koordinaten bei gleichen Werten des Wärmegehaltes H ausgedrückt in BTU/lb. Eine stärker ausgezogene, domförmige, gekrümmte Linie (Phasenumhüllende oder Dampf-Flüssigkeits-Phasen umhüllende) gibt den Grenzwertzustand des Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichtes wieder, in dem die Dampf- und Flüssigkeits-phasen einer chemischen Verbindung bei Abwesenheit einer anderen Verbindung gleichzeitig und anknüpfend aneinander vorliegen können. Paarweise Werte der Koordinaten, die unter diesem Grenzwert eingeschlossen sind, geben die Werte der Koordinaten für die algebraische Kombination der Eigenschaften der Flüssigkeit und des Dampfes bei der Phasenumhüllenden in deren vorliegenden Anteilen wieder. Es ist von besonderer Bedeutung, hier die Wirkung festzuhalten, die durch das Vorliegen von mehr als einer chemischen Verbindung auf die Interpretation der Parameter und Variablen dieses Diagramms erzielt wird. Der Fachmann erkennt, daß für jede vorliegende zusätzliche chemische Verbindung ein weiterer Freiheitsgrad zur Verfügung steht. Die Konsequenzen hieraus bestehen darin, daß, wenn auch waagerechte Linien innerhalb der Umhüllenden immer noch Punkte gleicher Temperatur und Drucks verbinden, dieselben im allgemeinen nicht Punkte gleicher Zusammensetzung sind, d.h. Massenfraktionen der chemischen Verbindungen, in den zwei in diesem Gebiet wiedergegebenen unterschiedlichen Phase verbinden. Der Erfindungsgegenstand leitet nun aus dieser Ungleichheit wichtige Vorteile ab.
Der höchste Punkt CP der Phasenumhüllenden wird als der "kritische Punkt", der Wert der Ordinate an diesem Punkt die "kritische Temperatur" und der Druckwert längs der Isobaren durch diesen Punkt (und Tangente an der Umhüllenden an diesem Punkt) der kritische Druck genannt.
An allen Punkten auf dem Diagramm bei Temperaturen höher als die kritische Temperatur liegt das Fluid vollständig im gasförmigen Zustand vor und kann in keiner Weise kondensiert werden, es sei denn, daß ein Abkühlen unter diese Temperatur erfolgt. Das Gebiet unter der Temperatur, wie es durch die Achsen und die linke Seite der Phasenumhüllenden eingeschlossen ist, ist vollständig flüssig. In dem Körper dieses Gebietes kann Dampf durch Kombinationen endlicher Temperatur- und Druckveränderungen erzeugt werden und wird als "unterkühlt" bezeichnet. An der Grenze der Phasenumhüllenden wird die Flüssigkeit als "gesättigt" bezeichnet, und jede Zunahme der Temperatur oder Abnahme des Drucks führt zu einer gewissen Verdampfung. Das Gebiet unter der kritischen Temperatur und rechts von der Phasenumhüllenden besteht vollständig aus Dampf. In dem Körper dieses Gebietes können endliche Änderungen oder Verringerung der Temperatur und/oder erhöhen des Drucks zu einer Kondensation führen. Der Dampf in diesem Gebiet wird als "überhitzt" bezeichnet. An der rechte Grenze der Phasenumhüllenden wird der Dampf als "gesättigt" dergestalt bezeichnet, daß jede Temperaturverringerung oder Druckerhöhung zu einer Kondensation führt.
Innerhalb der Phasenumhüllenden kann man sich ein Gebiet aus gemischten Dampf- und Flüssigkeitsphasen vorstellen. Hier verlaufen die Isobaren waagerecht, d.h. parallel zu der Abszisse und verbinden Punkte auf der Umhüllenden mit identischer Temperatur und Druck, die als "Sättigungstemperatur" und "Sättigungsdruck" oder "Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichtstemperatur und Druck" bezeichnet werden. Der Begriff Qualität definiert als der Massenbruch des Dampfes in dem Mischphasengebiet kann, für jede der thermodynamischen Funktionen innerhalb der DampfFlüssigkeits-Umhüllenden vollständig durch lineare algebraische Interpolation der Werte für die Funktion der reinen Phasen einer einzigen chemischen Verbindung bei Sättigung bestimmt werden. Für Gemische wird dieses Verhältnis allgemein nicht linear sein. Linien konstanter Zusammensetzung jedoch, die nithtnotwendiger Weise waagerecht sind, können in dem Gebiet zur erleichterten Berechnung eingezeichnet werden.
Somit beschreibt ein derartiges Diagramm der Temperatur gegen die Entropie in zweckmäßiger Weise die thermodynamischen Zustände, durch die der erfindungsgemäße Kreisprozess hindurchgeht. Zu diesem Zweck ist die Beschreibung von drei Zuständen (auch bezeichnet "Bedingungen" oder "Punkte") wesentlich. Der Zustand A gibt den Punkt des höchsten Drucks P1 und der Temperatur T1 des Arbeitsfluids wieder. Der Zustand B gibt den Punkt des niedrigsten Drucks P2 und der Temperatur T2 wieder. Der Zustand B kann ursprünglich innerhalb der DampfFlüssigkeitsphasenumhüllenden fallen, wie in der Figur 1 gezeigt oder kann ursprünglich außerhalb der Umhüllenden fallen und wird sodann in die Umhüllende durch verschiedene weiter unten erläuterte Verfahren gedrückt. In diesem Fall wird das ARbeitsfluid im Zustand B üblicher Weise als der "Abdampf" bezeichnet (dasselbe wird auch als Abfluid oder Niedrigtemperatur-Arbeitsfluid bezeichnet). Der Zustand C gibt den nominalen hohen Druck P3 bei der mittleren Temperatur T3 wieder. Wie in dem Fall des Zustandes B könnte der Zustand C ebenfalls außerhalb der Phasenumhüllenden oder innerhalb derselben links von der gesättigten Dampflinie liegen, siehe die Figur 1. Jede gegebene Zustand B ist zu jedem gegebenen Zustand C durch eine Linie konstanter Enthalpie verbunden. Andere Punkte X, J, CP, B'und C' sind ebenfalls zur Erläuterung bestimmter theoretischer Überlegungen des Erfindungsgegenstandes erläutert.
So besteht z.B. eine derartige theoretische Überlegung darin, daß der Zustand B sich irgendwo auf dem Diagramm befindet wo das Arbeitsfluid wenigstens teilweise verdampft ist und dessen Temperatur niedriger als die kritische Temperatur ist. Es ist zu beachten, daß bei allen Erläuterungen in dieser Patentschri der Zustand B so zu verstehen ist, daß derselbe den Zustand B' mit umschließt, der sich bei der gleichen Temperatur, jedoch bei einer höheren Enthalpie als der Zustand B befindet. In ähnlicher Weise ist der Zustand C so zu verstehen, daß derselb den" 2αstand C' einschließt, die sich bei dem gleichen Druck, jedoch bei einer unterschiedlichen Enthalpie als der Zustand C befindet. Der Zustand C liegt auf der gleichen Linie der konstanten Enthalpie, jedoch bei einem höheren Druck als der Zustand B'. Der Weg von B' zu C' gibt den Weg wieder, der bei einer isenthalpischen Kompression auf den Druck von C ausgehend von B' einwirkt, die tatsächliche Enthalpieveränderung von B' zu C gibt die zusätzliche Arbeit wieder, die erforderlich ist, um die mechanischen Unvollkommenheiten zu überwinden, sowie die natürliche Neigung des Fluids zu expandieren zu überwinden, und das Gleiche gilt für jede reine Wärmeentfernung aus dem Arbeitsfluid. Der Punkt X bedeutet hier einen Zustand längs der gesättigten Flüssigkeitsgrenze der Phasen umhüllenden. Die spezielle Stelle gemäß der Figur 1 ist diejenige des Zustandes der gesättigten Flüssigkeit bei der Temperatur und dem Druck des Zustandes B. Für den Fachmann ergibt sich, daß der Weg von dem Punkt B' zu dem Punkt C einhergeht mit einer gleichen Energieveränderung, wie derjenigen, die erfolgen würde, wenn man den zusammengesetzten Weg von dem Punkt B' zu dem Punkt X und sodann von dem Punkt X zuidem Punkt C geht. Da B' und C gleiche Enthalpie aufweisen, wird für jede aus dem Abfluiddampf kondensierten Flüssigkeitstropfen die latente Verdampfungswärme dieses Kondensatbetrages bei dem Weg von dem Punkt B' zu dem Punkt X identisch gleich dem Wärmeersatz sein, der erforderlich ist, dieses Kondensat von dem Punkt Xzu dem Punkt C erneut zu bringen. Weiterhin sind die Charakteristika jedes Arbeitsfluids dergestalt, daß bei Aufeinanderfolge niedriger Abfluiddrücken der Punkt C dazu neigt progressiv von dem Punkt C wegzugehen. Das Zusammenfallen des Punktes C mit dem Punkt A würde die Vorteile des erfindungsgemäßen thermodynamischen Kreisprozesses zunichte machen.
Die Technologien der Überführung des Übergangs längs der thermodynamischen Wege von dem Zustand A zu dem Zustand B und von dem Zustand C zu dem Zustand A sind allgemein bekannt. Verfahre und Vorrichtungen für das überführen des Arbeitsfluids von dem Zustand B zu dem Zustand C stellen den wesentlichen Erfindungsgegenstand dar. Niσhtsdestotrotz weisen die Wege von A zu B und C zu A wichtige Wechselwirkungen mit dem Erfindungsgegenstand auf und erfordern eine Erläuterung. Beginnend mit dem Zustand A liegt ein Arbeitsfluid mit hohenm Druck und einer erzielbaren Temperatur vor. Dieses Arbeitsfluid kann sich in jeder Weise expandieren, und zwar von einem Zustand ohne Gegendruck bis zu einem Gegendruck, der praktisch keine Expansion ermöglicht, so daß lediglich eine differentielle Neigung zum Expandieren vorliegt. Die erstere oder "freie" Expansion braucht keinen Widerstand zu überwinden undisomit bleibt praktisch der gesamte Energiegehalt erhalten, es handelt sich also definitionsgemäß um einen isenthalpischen Vorgang. Derselbe wird als "irreversibel" bezeichnet und stellt eine im wesentlichen waagerechte Bewegung rechts von einem Punkt wie dem Punkt A dar, wobei ein Temperaturverlust lediglich in dem Ausmaß des Druck-Volumenverlustes des Arbeitsfluids vorliegt.
Dieses Phänomen ist als Joule-Thompson Expansion bekannt und kann in der Praxis zu einem Temperaturanstieg führen, wenn die Veränderung des tatsächlichen Druck-Volύmenproduktes positiv ist. Es gibt einen Umkehrpunkt dieser Neigung, der mit einem Energiewert des Fluids identifiziert werden kann. Derselbe ist als "Joule Thompson Inversionspunkt bekannt und ist in der Figur 1 durch den Punkt J für die spezifische Linie der konstanten. Enthalphie wiedergegeben, die bei dieser isenthalpischen Kompression durchlaufen wird.
Andererseits erfordert ein fast gleicher Gegendruck, daß das expandierende Gas erhebliche Arbeit leisten muß, um diesen Druck zu überwinden. Diese Arbeit wird auf Kosten der inneren Energie- und/oder des Druck-Volumenpotentials geleistet. Ein Druckabfall bedingt durch die inhibierte Expansion wird in diesem Fall begleitet durch eine große Temperaturabnahme. Für einen wahren Differentialdruck-Gradienten führt diese Energieüberführung zu einer maximalen Arbeitsleistung der thermodynamischen Transformation. Unter Anwenden von lediglich innerer Wärme wird ein Maximum in Arbeit bei einem als "reversibel-adiabatisch" bezeichneten Verfahren umgewandelt und ist dadurch gekennzeichnet, daß keine Veränderung in der "Enthropie" erfolgt und es sich somit um einen isenthalpischen Vorgang handelt. Natürlich schließen praktische Überlegungen wie thermische Ineffizienz, Reibung usw. eine perfekte Reversibilität aus. Die perfekte isentropische Reaktion würde auf dem Diagramm durch eine senkrechte Bewegung von dem Punkt A zu dem Punkt B wiedergegeben. In der Praxis erfolgt bei den erzielten thermischen Wirkungsgraden der Weg von A zu B' , und es wird geringfügig weniger nutzbare Arbeit bei der höheren Enthalpie bei der Höhe des Punktes B' erzielt. Diese praktische Annhäherung an die isentropische Expansion wird oftmals als "polytropische" Expansion bezeichnet.
Erfindungsgemäß wird das Anwenden von all und jeden Expansionsvorriσhtungen in Betracht gezogen, die zum Stand der Technik gehören und den Expanaionsstufen längs des Weges von A zu B' angepaßt sind. Die Expansion durch eine Turbine unter Ausbilden von Arbeit an der Abtriebswelle stellt ein generelles Beispiel dar. Erfindungsgemäß ist auch vorgesehen, Expänsionsvorrichtungen zu benutzen, die dazu führen, daß der Weg von dem Azu dem Punkt B' progressiv in die Dampf-Flüssigkeits-Phasenumhüllende eintritt, wodurch der Schock und die Vibration vermieden werden, die durch die abrupte Kontraktion verursacht werden, die durch Konzentration in den Turbinenkanälen verursacht wird. Man muß jedoch darauf achten, daß der Punkt B niemals in ein Gebiet eintritt, wo ein Teil des Arbeitsfluids verfestigt werden könnte. Dies bedeutet, daß die Zustandsbedingungen niemals unter den Triplepunkt des Arbeitsfluids absinken dürfen.
Es ist ebenfalls zu beachten, daß die kryogenen Methoden, wie sie unter den Bezeichnungen freie Expansion nach Joule-Thompson oder Vorrichtungsexpansion nach Joule-Thompson bekannt sind, dazu benutzt werden können, um das Arbeitsfluid in die DampfFlüssigkeits-Phasenumhüllende und/oder längs des Weges von dem Punkt B zu dem Punkt C zu zwingen, da dieselben in der Lage sind, extrem niedrige Temperaturen auszubilden, die nur durch den Wirkungsgrad der Isolation begrenzt sind. Somit kann sich für die Zwecke des Ingangsetzens, der Steuerung, des Ersatzes des Fluids und/oder beabsichtigter Abgabe von Wärme aus entweder dem beweglichen Fluid oder dem Arbeitsfluid die Anwendung von Joule-Thompson Expansionssystemen als vorteilhaft bei der praktischen Ausführung des Erfindungsgegenstandes erweisen.
Eine erste Abschätzung der thermodynamischen, mechanischen und somit wirtschaftlichen Vorteile des Erfindungsgegenstandes läßt sich durch Vergleich der Alternativen des Rückweges von B zu A erhalten. Wenn man direkt erneut das Arbeitsfluid komprimiert, würde im wesentlichen ein Verlauf längs des gleichen senkrechte Weges (d.h. von dem Punkt B zu dem Punkt A erfolgen), da das Fluid wieder die gesamte Arbeit erhalten muß, die dasselbe bei der isentropischen Expansion abgegeben hat. Wenn der Weg von dem Punkt B zu dem Punkt X und sodann von dem Punkt X zu dem Punkt A verläuft, müßte die latente Ver.dampfungswärme bei dem Erreichen des Punktes X ausgeschieden werden. Wahlweise wird erfindungsgemäß das Einführen einer "Abkürzung" vorgesehen, damit möglichst viel des Abfluids in einen nicht komprimierbaren Zustand verflüssigt wird, in jedem Fall jedoch muß der Druck des Arbeitsfluids wieder aufgebaut werden, ohne Temperaturanstieg der polytropischen Kompression. Dies ist möglich, da das Erhöhen des Drucks jeder nicht kompressiblen Flüssigkeit ohne Leistung von Arbeit erreicht werden kann. Durch Begrenzen des Tismperaturanstiegs wird ebenfalls die Arbeit erheblich vertingert, die erforderlich ist, um das Arbeitsfluid erneut unter Druck zu setzen.
Wenn das Arbeitsfluid in dem Zustand B nicht kondensierbar ist, würde es möglich sein, eine "freie erneute Kompression" in Betracht au ziehen, und zwar durch konstantes Abkühlen des Fluids, indem eine konstante Tremperatur in dem Fluid während der Kompression aufrechterhalten wird. Wie bei der Joule-Thomps Expansion würde das Fluid einen geringen Anstieg der Enthalpie erfahren. Bei einem kondensierbaren Fluid jedoch wird ein Druckanstieg durch Kondensation begleitet, und die hierbei auftretende Abgabeder latenten Verdampfungswärme führt zu einem Temperaturanstieg. Somit ist das Analoge zu der isothermischen Kompression eines nicht kondensierbaren Gases die isenthalpi sehe Kompression eines kondensierbaren Gases. Dies stellt im gewissen Sinne das Kompressions-Gegenstück der irreversiblen oder "freien" Expansion dar.
Die wesentliche Aufgabe des Erfindungsgegenstandes ist es, die Verschwendung der latenten Verdampfungswärme zu vermeiden, die bei herkömmlichen Heizprozessen auftritt. Um dies zu erreichen, ist es wichtig, ein Verfahren und Vorrichtung in Betracht zu ziehen, durch die der geeignete Schritt der erneuten Energiezuführung zu dem Arbeitsfluid von dem Zustand B zu dem Zustand C erreicht wird, ohne daß die Energie abgegeben wird, die bei der Expansion gebildet wurde, oder die gesamte latente Verdampfungswärme ausscheidet, um so dasselbe in einen nicht kompressiblen Zustand für das Pumpen zu überführen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist eine isenthalpische Kompression in der beschriebenen Weise und aufgrund der oben angegebenen Gründ Es stellt keinen kleinen zusätzlichen Vorteil dar, daß dieses Verfahren das System von den Beschränkungen einer Wärmesenke befreit und somit die allgemeinen Begrenzungen des Carnot schen Kreisprozesses nicht vorliegen, obgleich derselbe in einem örtlichen Sinne während des erneuten Unterdrucksetzens noch vorherrscht. Weiterhin erstreckt sich diese Freiheit auf den Temperaturwert, bei dem der Kreisprozess durchgefühtt wird, und somit die Quellen, die für die Zuführung der Wärmeenergie für die Umwandlung in Nutzarbeit zur Verfügung gestellt werden können. Das Letztere ist eine Kondequenz der Wahlmöglichkeit bezüglich der Anordnung geeigneter Arbeitsfluide und Umstände bezüglich der geeigneten Anordnung der Zustände A, B, und C in und um die Phasenumhüllende.
Die Mittel zum Erreichen dieser isenthalpischen Kompression sind das Anwenden einergroßen Menge einer nicht kompressiblen Flüssigkeit, die mit dem Arbeitsfluid unter den Bedingungen mischbar ist, die in einer geeigneten Kompressionsvorrichtung vorliegen. Um die Funktionsweise dieser Flüssigkeit zu verstehe und das Verhalten der zwei Fluide während des thermodynamisehen Übergang des Arbeitsfluids von dem Zustand B in den Zustand C klarzustellen, wird zunächst ein idealisierter theoretischer Prozess und Untersuchungsvorrichtung erläutert.
Es sei ein gut isoliertes Gefäß betrachtet, das mit Abfluiddampf gesättigt bei dem Zustand B gefüllt ist. Mit dem Gefäß ist ein unbegrenzter Vorrat der gewählten Flüssigkeit verbunden, die auf den Druck des Zustandes C gepumpt ist. Unter diesen allgemein adiabatischen Bedingungen wird die Flüssigkeit in das Gefäß eingeführt und wird in das Gefäß fließen unter Komprimieren des Arbeitsfluids bis dasselbe und das gesamte System den Druck des Zustands C erreicht. Sodann hört der Fluß auf. Weiterhin soll die Flüssigkeit durch einen reibungslosen Sprühnebel eingeführt werden, um so einen sofortigen Aufbau des physikalischen und chemischen Gleichgewichtes zwischen den zwei Fluiden sicherzustellen. Es ist offensichtlich, daß unter diesen Umständen die Kompression des Arbeitsfluids strikt nicht adiabatisch verläuft. Tatsächlich kann der gesamte Prozess als eine Reihe differentieller Druckzunahmen betrachtet werden, innerhalb derer der adiabatische Temperaturanstieg des Arbeitsfluids durch das Vorliegen der Flüssigkeit verhindert wird. Jeder kleine Druckschritt kann tatsächlich als eine isotherme Kompression des Arbeitsfluids betrachtet werden. Als Ergebnis hiervon wird ein Teil des Arbeitsfluids kondensieren und seine latente Verdampfungswärme an die große Flüssigkeitsmenge abgeben, wo dieselbe als fühlbare Wärme absorbiert wird. Wenn die ursprüngliche Flüssigkeitstemperatur nicht sehr viel kälter als das Arbeitsfluid war, steigt die Temperatur des gesamten Systems auf die Sättigungstemperatur, die dem neuen höheren Druck entspricht. Wenn die Temperatur der Flüssigkeit nicht so niedrig war, um das gesamte Arbeitsfluid zu kompensieren, wird das Endergebnis des Gesamtprozesses ein Gefäß sein , das eine flüssige und eine dampfförmige Phase bei dem Druck des Zustandes C und der ent sprechenden Sättigungstemperatur für die Flüssigkeit und Dampf vorliegt, die aus einer einzigen chemischen Verbindung bestehen. Wenn mehr als eine Verbindung vorliegt, wird die Temperatur und die Zusammensetzung der zwei Phasen dem DampfFlüssigkeits-Gleichgewicht bei dem gegebenen Druck entsprechen. Dies bedeutet, daß die Charakteristika jeder Phase auf und im Inneren der Dampf-Flüssigkeits-Umhüllenden gemäß dem relativen Anteil der vorliegenden unterschiedlichen chemischen Verbindungen schwanken. In jedem Fall wird unter den richtig gewählten Bedingungen die Menge des ursprünglichen Arbeitsfluids als der Gesamtdampf plus der überschüssigen Flüssigkeit gegenüber der Menge der eingeführten komprimierbaren Flüssigkeit auftreten.
Da man versucht, den thermodynamischen Kreisprozess zu "schließen", ergibt sich, daß die Flüssigkeitsmenge zirkuliert werden muß. Daher muß die Zusammensetzung der Flüssigkeit konstant sein (und daher das Zweiphasen-Arbeitsfluid aufgrund des Materialgleichgewichtes). Dies trifft tatsächlich zu, da die Natur des beschriebenen Systems versuchen wird, im Gleichgewichtszustand eine konstante Zusammensetzung der beiden Phasen zu bilden. Eine weitere Einschränkung wird jedoch bei einem geschlossenen Kreisprozess bedingt: die zirkulierende Flüssigkeit kann bei dem Zustand C nur im gesättigten Zustand vorliegen, es sei denn, daß Wärme aus derselben während des Zirkulierens an einer Stelle außerhalb des Kompressionssystems entfernt wird.
Es sei nun das Verhalten der Flüssigkeit während der Kom pression betrachtet bei Zuführen bei einer Sättigungstemperatur. Sobald der erste Flüssigkeitstropfen eintritt, expandiert sich derselbe auf den niedrigen Druck, der verdampft und absorbiert eine sehr kleine Menge der Verdampfungswärme, wodurch das System abgekühlt wird. Nichtsdestotrotz erfährt der Dampf praktisch eine kleine adiabatische Kompression. Bei Einführen von mehr Flüssigkeit tritt einer von zwei Vor gangen zuerst ein, und zwar in Abhängigkeit von der thermodynamischen Natur der gewählten Flüssigkeit in Kombination mit dem Arbeitsdampf. Eine Möglichkeit besteht darin, daß die Verdampfung der Flüssigkeit sich mit verlangsamenden Geschwindigkeiten fortsetzt, während der Druck ansteigt, sowie die Gesamtmasse des zu komprimierenden und zu erwärmen den Dampfes größer wird. Schließlich wird der Druck gemäß dem Zustand C als eine einzige Dampfphase erreicht, die die gesamte latente Verdampfungswärme des Arbeitsfluids enthält, die aber nutzlos verbraucht wurde bei dem Verdampfen einer nunmehr nutzlosen Flüssigkeitsmenge. Die wahrscheinlichere Möglichkeit besteht darin, daß ein Zustand in dem Gefäß erreichtwird, wo die Flüssigkeit nicht vollständig verdampft, jedoch eine zweite flüssige Phase in dem Gefäß zur Ausbildung kommt, das bei dem vorliegenden Druck gesättigt ist. Sobald mehr Flüssigkeit eingeführt wird, wird mehr Kondensat auftreten bis der Enddruck erreicht ist. Es kann sogar vorkommen, daß eine ausreichende Kondensation für die gewählten Materialien und Bedingungen dazu führt, daß sich eine reine Kondensation des Arbeitsfluids ergibt. In jedem Fall können die abschließend vorliegenden Bedingungen vermittels herkömmlicher Methoden berechnet werden und man sieht, daß für jede auftretende Kondensation eine bestimmte kleinste Flüssigkeitsmenge angewandt werden muß. Darüber hinaus wird zusätzliche Flüssigkeit lediglich zu mehr Material führen, das bereits bei den Bedingungen des Zweiphasensystems gesättigt ist, so daß nicht mehr als ein vernachlässigbarer Effekt der kleinen bei dem Pumpen verbrauchten Energiemenge vorliegt. Es ist möglich, daß man Fluide und Bedingungen antreffen kann, die in natürlicher Weise diesen Kriterien entsprechen. Es ist nicht so wahrscheinlich, daß man auf ein natürliches System trifft, das die guten Eigenschaften der zur Verfügung stehenden bevorzugten Fluide kombiniert, die bei vorteilhaften Bedingungen unter optimalen wirtschaftlichen Umständen arbeiten. Das Entfernen der Wärme aus dem Arbeitsfluid stellt eine mögliche Lösung dar. Dies bedeutet, daß man absichtlich ausreichendes Arbeitsfluid unter Wiederaufbau der Flüssigkeit kondensiert. Dies wäre jedoch umständlich, kostspielig und verschwenderisch mit Ausnahme eines Arbeitens mit kleinsten Mengen derartiger Kühlerfordernisse. Eine bessere Lösung im Entfernen einer gerade ausreichenden Wärmemenge aus der Kühlflüssigkeit, was in der kleinsten Menge einer Kondensation des Arbeitsfluids während der Kompression zu sehen ist. Eine erhöhte Entfernung von Wärme über diesen Punkt hinaus würde keinem nützlichen Zweck dienen, da die latente Wärme des Arbeitsfluids ausgeschieden wird. Es kann tatsächlich ein Punkt der Flüssigkeitsvorkühlung erreicht werden, der zu der gesamten Kondensation dew Arbeitsfluids führt, wodurch alle günstigen erfindungsgemäßen Ergebnisse aufgehoben werden. Das Einführen einer unterkühlten Kompressionsflüssigkeit in das Gefäß führt dazu, daß der Bildungspunkt einer flüssigen Phase in dem Gefäß eher erreicht wird, sowie die Flüssigkeitsmenge bei dem Zustand C vergrößert wird. Die Menge der Kondensation des Arbeitsfluids sowie die Menge der erforderlichen zirkulierenden Flüssigkeit wird somit durch die äußere Wärmeentfernung aus der Flüssigkeit bestimmt. Dies nun macht eine Auswahl der Fluide für das Anwenden bei ausgewählten Zuständen A, B und C bei der praktischen Durchführung des Erfindungsgegenstandes möglich.
Das Gesamtergebnis dieses idealisierten Systems besteht darin, daß das Arbeitsfluid bestehend aus dem gesamten Dampf kombiniert mit Flüssigkeitsüberschuß des Systems in einerZusammensetzung und Menge dem Zustand C zugeführt worden ist aufgrund der Einwirkung einer zirkulierenden Flüssigkeit, und zwar bei einem Verfahren, das in einem geschlossenen thermodynamischen Kreisprozess angewandt werden kann. Die große Menge der Flüssigkeit, die zeitweilig für die Aufnahme der latenten Verdampfungswärme dient, wirkt hier als ein Träger, etwa wie ein Schwungrad für das Arbeitsfluid, wodurch dessen Temperaturanstieg begrenzt wird und ein überhitzen verhindert wird. Weiterhin werden die zwei Fluide bei gleichen Temperaturen während der Kompression gehal ten. Nachdem lediglich die geringe erforderliche Energiemenge zugesetzt worden ist, die dafür notwendig ist, um in differentieller Weise die zirkulierende nicht, kompressible Flüssigkeit mit Energie, zu versehen und zu bewegen, wobei dieselbe zum größten Teil als parasitärer Arbeitsverbrauch für den Gesamtkreisprozeß zurückgewonnen werden kann, hat das System angenäh eine isent-halpische Kompression des Arbeitsfluids durchgeführt.
Die praktischen Erfordernisse bedingen jedoch, daß etwas Arbeit ausgeführt wird zwecks Kompensieren der mechanischen Verluste, wie das überwinden der Reibung usw. , so daß es stets Abweichungen von der wahren konstanten Enthalpie gibt. Das Vorliegen derselben wird hier beschrieben durch Ausdrücke, wie "angenähert eine isenthalpische Kompression". Weiterhin macht die Kontinuität des Betriebes, das Anwenden mehrerer Stufen und/oder anderer Methoden zur Energievermittlung an das Arbeitsfluid im Zusammenhang mit direkter Kompression und Probleme bei der Handhabung und Überführung der zwei Fluide in den ursprünglichen Zustand es nicht praktisch, ein einfaches einziges Gefäß anzuwenden, wie dies der Fall ist bei dem oben angegebenen idealisierten theoretischen Beispiel. Weiterhin ergibt sich, daß es einen großen praktischen Vorteil darstellen kann, absichtlich von der wahren konstanten Enthalpie abzuweichen, indem absichtlich Wärme aus dem System ausgeschieden wird, um so einen Betrieb bei den ausgewählten Zuständen A, B und C für gegebene Fluide durchzuführen.
Obgleich es viele Vorrichtungen für die Durchführung einer angenäherten isenthalpischen Kompression gibt, werden im Hinblick auf die obigen Überlegungen allgemein zwei Verfahren bevorzugt, wobei jedes derselben diejenigen Ausführungsformen umschließt, die ein analoges Verfahren Coder Vorrichtung) gemeinsam haben. das nachfolgend als isenthalpische Kompression oder "ein isenthalpischer Kompressor", bezeichnet werden, um hierdurch eine isenthalpische Kompression des Arbeitsfluids von dem Zustand B in den Zustand C zu bewerkstelligen.
Bei dem ersten allgemeinen Verfahren wird das Arbeitsfluid mit Energie versehen, indem eine thermische, jedoch nicht eine physikalische Verbindung mit einer großen Menge einer zirkulierenden nicht kompressiblen Flüssigkeit hergestellt wird (auch bezeichnet als das "bewegliche Fluid" oder "bewegliche Flüssigkeit"), und zwar während eines Verfahrens der direkten Kompression des Arbeitsfluiddampfes. Es sei hier angemerkt, daß jede Arbeitsfluid-Flüssigkeit bei dem Zustand B direkt gepumpt werden kann und sich somit kein Problem bezüglich der Energievergeudung ergibt. Eine typische Vorrichtung für das Durchführen dieses Arbeitsvorganges wäre ein herkömmlicher isothermischer Kompressor, der die bewegliche Flüssigkeit durch die Kanäle seines Kühlmantels zirkuliert, wobei auf die Flüssigkeit ein Druck vermittels einer Stromabdrossel beaufschlagt wird, um so ein vorzeitiges Verdampfen zu verhindern.
Die bewegliche Flüssigkeit führt ihre Funktionen aus während dieselbe zwischen einem energetischen und einem nicht energetischen Zustand verläuft. Der hier angewandte Ausdruck "energetisch oder mit Energie versehen" bedeutet den Teil der Gesamtenergie, der verbraucht wird bei der Zurückführung jedes Fluids in seinen höchsten Druckzustand ohne Berücksichtigung der Temperatur. Die Menge der beweglichen Flüssigkeit kann aus unterschiedlichen Quellen wie einem äußeren Speisestrom, Zurückführung bestimmter interner oder externer Elemente, Kondensation überschüssigen Arbeitsfluids usw. erhalten werden. Bei der praktischen Ausführungsform muß die Freiheit, Wärme aus der beweglichen Flüssigkeit abzugeben, aus wirtschaftlichen und praktischen Gründen eingeschlossen sein. Diese Maßnahme gestattet eine große Auswahl der Arbeits-... und beweglichen Flüssigkeiten bei angestrebten thermodynamischen Zuständen, das direkte Ablenken bei Kompressionsstufen, zirkulieren von Mengen, das Anwenden parasitärer Energie, Größe der Gesamtanlage und höchstmöglichen Profit.
Bei der einfachsten Ausführungsform erhält dieses Verfahren beide ausfließenden Fluidströme von der isenthalpischen Kompression in ein Gefäß, das als Phasenseparator angewandt wird, wobei Stromaufdruck auf den Arbeitsfluiddampf- gehalten wird, während die Fluids physikalisch vermischt und in Flüssigkeitsund Dampfphasen in physikalischem und chemischem Gleichgewicht getrennt werden. Eine typische für diesen Zweck Anwendung findende Vorrichtung stellt eine herkömmliche Ausrücktrommel dar, die mit einer Einlaß-Flüssigkeitssprühdüse, einer Steuerung für den Dampfphasen-Rückdruck, einer inneren Entnebler Maschendecke, einer Flüssigkeitshöhensteuerung und zwei Flüssigkeits-Bodenpumpen ausgerüstet ist. Eine Pumpe würde die bewegliche Flüssigkeit unter Fließsteuerung zirkulieren. -Die andere, unter Flüssigkeitshöhensteuerung, überschüssige Flüssigkeit stromab pumpen, um das gesamte Dampfprodukt als die arbeitsfluidmenge und Zusammensetzung zu vereinigen.
Bei einer komplizierteren Ausführungsform können zusätzliche Maßnahmen angewandt werden, um das Arbeitsliquid und/oder das physikalische Zusammenwirken und Vermischen der zwei Flüssigkeiten mit Energie zu versorgen. Für hohe Kompressionsverhältnisse des Zustands C zu dem Zustand B können mehrere direkte Kompressionsstufen angewandt werden.Wo wirtschaftliche oder besonders vorteilhafte Bedingungen in der Phasenauflösung vorliegen, kann ein Teil des Zusammenwirkens und Vermischens durch Düsenabzug des Dampfes aus dem Arbeitsfluid in die bewegliche Flüssigkeit vor und/oder im Anschluß an eine Stufe oder Stufen der direkten Kompression erfolgen. Tatsächlich kann in einem gewissen Grad die Energieversorgung des Arbeitsfluid durch den Düsenabzug selbst bewirkt werden. Eine typische Vorrichtung für die letzteren Arbeitsweisen würde ein handelsgängiger Wassererhitzer sein, der normalerweise als ein Boilererhitzer angewandt wird. Um eines dieser verwickeiteren Verfahren durchzuführen, kann die bewegliche Flüssigkeit auf einen ausreichend hohen Druck gepumpt werden, so daß dieselbe kaskadenförmig über mehr als eine Stufe der Energievermittlung und physikalischen Kombination der zwei Fluide geführt werden kann
Zusammenfassend läßt sich sagen, daß dieses Verfahren für das Approximieren einer isenthalpischen Kompoession ein "geschloss ner" thermodynamischer Kreisprozeß ist, der Nutzarbeit leisten kann, wobei die folgenden wesentlichen Arbeitsschritte vorliegen :
(1) Expandieren eines Arbeitsfluids aus einem Zustand A (entsprechend einem Druck P1 und einer Temperatur T1 außerhalb einer Dampf-Flüssigkeitsphasen-Umhüllenden für das Arbeitsfluid) in einen Zustand B (entsprechend einem Druck P2 niedrig als P1 und einer Temperatur T2 niedriger als T1), der innerhalb der Dampf-Flüssigkeitsphasen-Umhüllenden für das Arbeitsfluid liegen kann,
(2) Energievermittlung an das Arbeitsfluid von dem Zustand B in den Zustand C (entsprechend einem Druck P, angenähert P1 und einer Temperatur T3 zwischen den Temperaturen T1 und T2 dergestalt, daß T2< T3 < T1) der innerhalb der Dampf-Flüssigkeitsphasen-Umhüllenden für das Arbeitsfluid liegen kann, vermittels a) Pumpen einer großen Menge einer beweglichen Flüssigkeit auf einen Druck wenigstens so groß wie P3 und ausreichend hoch um dessen flüssigen Zustand aufrechtzuerhalten während fühlbare Wärme aus dem Arbeitsfluid aufgenommen wird, b) inverbindungbringen des Arbeitsfluids mit der unter Druck gesetzten beweglichen Flüssigkeit in einer insgesamt adiabatischen Umwelt dergestalt, daß eine örtliche Überführung von Wärmeenergie zwischen den zwei Fluiden erfolgt während deren physikalische Trennung aufrechterhalten wird, wobei die bewegliche Flüssigkeit dazu dient, den Temperaturanstieg zu begrenzen und ein überhitzen des Arbeitsfluids zu verhindern, indem die zwei Fluide bei gleichen Temperaturen gehalten werden, und c) direktes Komprimieren des Arbeitsfluid während dasselbe diesen Bedingungen ausgesetzt ist, auf einen Druck P3 und eine Temperatur T3, wobei während dieser Kompression wenigstens eine teilweise Kondensation des Arbeitsfluids erfolgt und gleichzeitig die latente Verdampfungswärme des Kondensats an die bewegliche Flüssigkeit abgegeben wird, wodurch der Zustand C für das Arbeitsfluid erreicht wird,
(3) Vermischen des austretenden Zweiphasen-Gemisches der direkten Kompression mit einem gedrosselten flüssigen Kühlmittel eines Kompressors, wobei der Druck P3 auf das ARbeitsfluid zurückgehalten wird, so daß die sich ergebnden zwei Phasen, eine Flüssigkeit und ein Dampf, sich in einem physikalischen und chemischen Gleichgewicht befinden, wodurch das bewegliche Fluid in jeder Hinsicht in seinen ursprünglichen Zustand als ein Teil der sich ergebenden flüssigen Phase gebrachtwird, sowie die Menge und Zusammensetzung des Arbeitsfluids wieder auf den früheren Wert gebracht wird als die Kombination des gesamten sich ergebenden Dampfes und dem restlichen Anteil der sich ergebenden Flüssigkeit und
(4) das Arbeitsfluid in der erforderlichen Weise erwärmt wird unter Erreichen der Temperatur T1 , wodurch die ursprüngliche Menge, Zusammensetzgag, aufgebauter Druck und Höchsttemperatur des Arbeitsfluids wieder aufgebaut werden und dies bedeutet, in jeder Hinsicht, den Zustand A, wodurch eine angenäherte isenthalpische Kompression des Arbeitsfluids in einem thermodynamischen Kreisprozess vorliegt. Das zweite allgemeine Verfahren vermittelt dem Arbeitsfluid Energie vermittels inverbindungbringen und vermischen einer großen Menge einer zirkulierenden nicht kompressiblen beweglichen Flüssigkeit ausgewählter Zusammensetzung (auch bezeich net als "bewgliches Fluid" oder "bewegliche Flüssigkeit") mit dem erneut zu komprimierenden Arbeitsfluid. Diese Menge und Zusammensetzung kann in vielfacher Weise erhalten werden wie einen Strom außerhalb des Systems, Zurückfuhrung eines inneren bestimmten Stroms oder äußere Komponenten, Kondensation von überschüssigem Arbeitsfluid usw. Gegen Ende der Energievermittlung vermittels des sich anschließenden Pumpens dient die bewegliche Flüssigkeit als ein Lösungsmittel, das das Arbeitsfluid als einzige flüssige Phase enthält, wodurch ein Verdampfen und/oder überhitznng des Arbeitsfluids verhindert wird, und das Arbeitsfluid und das bewegliche Fluid werden bei gleichen Temperaturen und Drücken gehalten. Dies bedeutet, daß das bewegliche Fluid als ein ausgewähltes, höher siedendes Lösungsmittel für das Arbeitsfluid in der vorgesehenen großen Menge dazu dient, den Partialdruck des Arbeitsfluids auf einen Wert dergestalt zu verringern, daß der Dampfdruck der vereinigten Flüssigkeit kleiner als der Gesamtdruck deren Umwelt ist.
Das bewegliche Fluid führt nur Funktionen aus, während dasselbe zwischen mit Energie versehenen und einem energielosen Zustand bewegt wird. Die hier angewandte Bezeichnung "mit Energie versehen" schließt den Teil der Gesamtenergie ein, der erforder lich ist, das Arbeitsfluid in den Zustand A erneut zu bringen, wie es durch die für das Erreichen des Zustandes C erforderliche Druckzunahme wiedergegeben wird. Die entsprechende Sequenz des Inverbindungbringens, Vermischens und Pumpens der Arbeits- und beweglichen Fluide wird bei diesem Verfahren durch das Vorliegen von beweglichen und Arbeitsfluiden unterschiedlicher Zusammensetzung bestimmt. Somit wird das Inverbindungbringen und Vermischen der Fluide im Verlaufe des Auflösens des Arbeitsfluids in dem beweglichen Fluid erreicht. Die sich ergebende einzige flüssige Phase wird sodann gepumpt, und das bewegliche Fluid hat als ein Lösungsmittelträger für das Arbeitsfluid gedient.
Das Auflösen (Inverbindungbringen und Mischen) kann bewerkstellig t werden durch:
( 1 ) direktes Einführen und Auflösen des Arbeitsfluids als ein gelöster Stoff , in der als Lösungsmittel dienenden beweglichen Flüssigkeit , (2 ) Anwenden eines Absorbers , in dem in mehreren Stufen die zwei Fluice in Berührung gebracht werden , wodurch die gesamte Auflösung in einer einzigen Phase erleichtert wird und (3 ) das Einarbeiten eines Eduktors in das System , wodurch das Auflösen gefördert wird , j edoch ohne daß notwendigerweise jedes Fluid mit Energie versehen wird . Ein herkömmliches Beispiel der letzteren Arbeitsweise kann das Anwenden eines herkömmlichen Waseererhitzers für einen Boiler sein . Eine derartige Vorrichtung kann hier gut Anwendung finden und führt zu einem Inberührungbringer. und Vermischen der Fluide durch die Eduktcrwirkung der Hochceschwindigkeitsdüse .
In allen Fällen wird die sich ergebende einzige flüssige Phase sodann auf P3 gepumpt , wodurch der Zustand C erreicht wird.
In diesen Systemen des chemischen Gleichgewichtes Dampf-Flüssigkeit führt das weitere Erwärmen und Inberührungbr Ingen der Dampf- und Flüssigkeitsphasen dazu , daß die Zusamensetzung und Menge des Arbeitsfluids als ein Dampf wieder auf bebaut wird , und ebenfalls die Zusammensetzung und Menge der beweglichen Flüssigkeit als eine Produktflüssigkeit wieder aufgebaut wird. Der Dampf wird weiterhin erwärmt , um ihn voll in den Zustand A zu bringen und die bewegliche Flüssigkeit wird abgekühlt, um sie wieder vollständig in ihren ursprünglichen Zustand zu bringen. Die Möglichkeiten , dieses Abkühlen zu erreichen , kann das gewollte Entfernen von Wärme aus der beweglichen Flüssigkeit oder aus dem Arbeitsfluid sein. Eine derartige Arbeitsweise eignet undA für bestimmte chemische Verbindungen darzustellen.
Die erfindungsgemäß Anwendung findende Destillationsvorrichtung kann eine beliebige einschlägige Vorrichtung sein wie eine einfache einstufige SchnellVerdampfervorrichtung, über eine mehrstufige Abziehvorrichtung (Destillation ohne Rückfluß) bis zu einermit vollständiger Rektifikation arbeitenden mehrstufigen Fraktioniervorrichtung. So kann z.B. ein Benzinstabilisator zweckmäßigerweise als ein isenthalpischer Kompressor für die Ausbildung von Nutzarbeit angewandt werden, ohne daß dessen ursprüngliche Funktionen beeinträchtigt werde Man beginnt, indem man die Gesamtkapazität der Dampfstromsysteme bezüglich der Gesamtleistung abschätzt und somit feststellt, daß nicht genutzte Kapazität vorliegt. Diese Menge wird aus der Dampfstromleitung des Fraktionators als Arbeitsfluid abgezogen. Es kann zusätzliche Wärme zugeführt werden, soweit dieselbe zur Verfügung steht. Der überhitzte Dampf wird bei vollem Stabilisatordruck in einer polytropischen Vorrichtung in den Zustand B expandiert. Das Arbeitsfluid kann sodann ebenfalls als ein Kühlmittel in einem Ausmaß angewandt werden, das lediglich durch Bedingungen des Dampfdrucks begrenzt ist , da dasselbe sodann direkt zurück zu der Ansaugseite der Pumpe als ein zurückgeführter Strom geführt wird.
Gleichzeitig werden die positiven Saugwerterfordernisse der Pumpen in Betracht gezogen, und es wird eine Menge des BenzinDestillationsrückstandes abgezogen bevor eine Überführung in einen Vorratsbehälter für die Zurückführung zu der Ansaugseite der Pumpe erfolgt, dergestalt, daß den positiven AnsaugwertErfordernissen Genüge getan ist. Wenn somit ein Benzinstabilisator als ein isenthalpischer Kompressor angewandt wird, wird das Arbeitsfluid innerhalb dieser Pumpe von dem Zustand B in den Zustand C gebracht. Der Zustand A wird erreicht, nach zusätzlichem Erwärmen in dem Fraktionator in einer Weise, wie es bei der Rektifikation üblich ist. Durch Erwärmen und Teilverdampfen einer Flüssigkeit und Abkühlen sowie Teilkondensa tion des Dampfes, erneutes Inberührungbringen des Dampfes und der Flüssigkeit dergestalt, daß durch Neuorientierung der chemischen Verbindung in deren relative Flüchtigkeiten wird die Menge und Zusammensetzung des Arbeitsfluids, z.B. Propan, in dem Dampfstrom erneut aufgebaut. In ähnlicher Weise wird die Menge und Zusammensetzung der beweglichen Flüssigkeit, d.h Benzin in dem flüssigen Destillationsrückstand wieder aufgebaut.
Zusammenfassend verfährt man erfindungsgemäß für das Approximieren einer isenthalpischen Kompression in einem "geschlossenen" thermodynamischen Kreisprozeß, der in der Lage ist Nutzarbeit zu liefern, mit den folgenden Arbeitsschritten:
(1) Expandieren eines Arbeitsfluids auf einen Zustand A (entsprechend einem Druck P1 und einer Temperatur T1 außerhalb der Dampf-Flüssigketsphasen-Umhüllenden für das Arbeitsfluid) in einen Zustand B (entsprechend einem Druck P2 niedriger als P1 und einer Temperatur T2 niedriger als T1) der innerhalb der Dampf-Flüssigkeitsphasen-Umhüllenden liegen kann,
(2) das Arbeitsfluid durch Energievermittlung von dem Zustand B in den Zustand C gebracht wird (ensprechend einem Druck P3 angenähert P1 und einer Temperatur T3 zwischen den Temperaturen T1 und T2) dergestalt, daß T2< T3 <T1), der innerhalb der Dampf-Flüssigkeitsphasen-Umhüllenden liegen kann durch a) Inverbindungbringen und Mischen des Arbeitsfluids mit einer großen Menge einer beweglichen Flüssigkeit als Lösungsmittel so ausgewählt, daß die zwei Fluide in eine einzige flüssige Phase überführt werden und b) Pumpen der kombinierten flüssigen Phase auf den Druck P3 und Temperatur T3 unter Erreichen des Zustandes C für das Arbeitsfluid,
(3) wieder überführen des Arbeitsfluids von dem Zustand C zurück in den Zustand A durch a) Destillieren der sich ergebenden Fluide aus dem Phasenverhältnis, das bei dem Zustand C vorliegt unter Wiederaufbau der Zusammensetzung der Menge des Arbeitsfluids in dem Destillationsdampf und der Zusammensetzung und Menge der bewegliehen Flüssigkeit in dem Destillationsrückstand und b) Erwärmen des sich ergebenden Arbeitsfluid-Dampfes in der erforderlichen Weise, um denselben auf die Temperatur und Druck des Zustandes A zu bringen und (4) die bewegliche Flüssigkeit durch Abkühlen und/oder gewolltes Abführen von Wärme aus der sich ergebenden Flüssigkeit in der erforderlichen Weise in den ursprünglichen Zustand zurückgeführt wird, wodurch eine angenäherte isenthalpische Kompress des Arbeitsfluids in einem geschlossenen thermodynamischen Kreisprozeß erzielt wird.
Bei der praktischen Durchführung kann das gewollte Entfernen von Wärme aus wirtschaftlichen und praktischen Gründen duchgeführt werden. Dies bedeutet, daß die beabsichtigte Entfernun von Wärme aus dem System des Arbeitsfluids und der beweglichen Flüssigkeit erfolgreich bei den ausgewählten Zuständen A, B und C angewandt werden kann. Hierdurch wird es möglich, mit weniger Arbeitsstufen oder kleineren Mengen der beweglichen Flüssigkeit zu arbeiten. Insbesondere ergibt sich eine erhebliche Vergrößerung der Möglichkeiten für die vorteilhafte Auswahl des Zustandes B. Weiterhin kann das Anwenden von parasitärer Energie erheblich verringert werden, wodurch sich eine erhebliche Verringerung der Größe der Anlage als Ganzes ergibt
Der Erfindungsgegenstand wird nachfolgend beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Diese zeigen: Fig. 1 ein Temperatur-Entropie-Diagramm für ein typisches
Arbeitsfluid und zeigt einen typischen Weg des erfindungsgemäßen thermodynamischen Kreisprozesses; Fig. 2 ein schematisches Fließdiagramm eines direkten Kompressionssystems, bei dem eine große Menge einer beweglichen Flüssigkeit für das Approximieren einer isenthalpischen Kompression von dem Zustand B in den Zustand C in der erfindungsgemäßen Weise angewandt wird. Es sind ebenfalls Alternativen in diesem Diagramm aufgezeigt und zeigen einige der wahlweisen, komplexeren Abwandlungen gegenüber dem grundlegenden und einfachsten System.
Fig. 3 ist ein schematisches Fließdiagramm, das eine für die Phasentrennung angewandte Trommel zusammen mit einer von vielen möglichen Konfigurationen der Joule-Thompson Expansionssysteme für die Ausbildung einer Menge der unterkühlten beweglichen Flüssigkeit zeigt. Eine Alternative ist gezeigt, durch die die bewegliche Flüssigkeit unter Anwenden parasitärer Energie vollständig zurückgewonnen werden kann.
Eig. 4 ist ein schematisches Fließdiagramm eines Destillationssystems, bei dem ein lösliches Gas und Lösungsmittel dazu angewandt werden, in der erfindungsgemäßen Weise den Übergang von dem Zustand B zu dem Zustand C zu erreichen.
Die Fig. 1 ist ein Temperatur-Entropie-Diagramm für ein typisxches Arbeitsfluid, das erfindungsgemäß angewandt wird. Wie weiter oben erläutert, werden Linien konstanten Drucks und Enthalphie dazu angewandt, bestimmte thermodynamische Funktionen in Wechselbeziehung zu setzen, die einen gegebenen Zustand des Arbeitsfluids definieren. Die domförmige Kurve zeigt die Begrenzung des Dampf-Flüssigkeits-Phasengebietes, wobei die Flüssigkeits- und Dampfphasen gleichzeitig existieren können. Die Zustände A und B und C befinden sich in beispielsweisen relativen Lagen. Der Zustand A gibt den Punkt des höchsten Drucks P1 und die Temperatur T1 wieder. Der Zustand B gibt den Punkt des höchsten Drucks P2 und die Temperatur T2 wieder. Der Zustand C entspricht dem nominal hohen Druck P3, der P1 approximiert, und eine mittlere Temperatgur T3 dergesatlt, daß T2< T3< T1. Die Punkte B, CP, J, C und X sind ebenfalls zur Erläuterung bestimmter theoretischer Punkte angegeben, wie weiter oben erläutert. Längs der von B' zu C verlaufenden Linie konstanter Enthalpie wird in erfindungsgemäßer Weise die "isenthalpische Kompression" aus den weiter oben erläuterten Gründen approximiert. Die Zustände A, B und C dienen ebenfalls als wichtige Bezugspunkte bezüglich der obigen Erläuterung beispielsweiser Vorrichtungen, vermittels derer die erfindungsgemäße isenthalpische Kompression erreicht werden kann.
Die Figur 2 zeigt drei Systeme mit steigender Komplexizität, die sich der erfindungsgemäßen Lehre bedienen. In allen drei Fällen ist lediglich der zentrale Schritt der Energievermittlung an das Arbeitsfluid, und zwar die angenäherte isenthalpische Kompression vom Zustand B zum Zustand C zusammen mit einigen Möglichkeiten der Rückgewinnung der beweglichen Flüssigkeit erläutert, da die sich anschließenden Arbeitsschritte in Richtung auf den Zustand A und C dem Fachmanngeläufig sind. Für alle drei Vorgänge geben die Buchstaben B und C die Zustandspunkte des Arbeitsfluids in Beziehung auf das thermodynamische Diagramm nach der Figur 1. wieder.
Das erste System, das durch die ausgezogenenen Linien wiedergegeben wird, stellt den außergewöhnlich einfachen Fall des Zustandes B des Arbeitsfluids ziemlich im Inneren der Phasenumhüllenden dar, d.h. es liegt ein erheblicher Anteil an flüssiger Phase vor. In einem derartigen Zustand kommt das Arbeitsfluid durch die Leitung 46 an und tritt in das Niederdruckreservoir ein. Die flüssige Fraktion wird durch die Leitung 2 der Ansaugseite der Induktionspumpe 3 zugeführt, wo dasselbe mit Energie versetzt und durch die Leitung 4 an die Verbindungsstelle 4a im Zustand C abgegeben wird. Der Dampfteil wird durch die Leitung 6 zu der Ansaugseite des Kompressors 51 gesogen, wo ein Komprimieren und Abgabe durch die Leitung 52 zu der Verbindungsstelle 4a im Zustand C erfolgt. In diesem Fall kann das beweg liehe Fluid praktisch ausgeschaltet werden, da ein wesentlicher Vorteil dadurch erzielt wird, daß lediglich ein Teil des Arbeitsfluids komprimiert werden muß.
Der zweite Fall betrifft die allgemeine Situation eines unter mäßig niedrigem Druck stehenden Arbeitsfluids und erforderlichen Kompressionsverhältnisses. Dies ist durch die gestrichelten Linien wiedergegeben und bewegliche Flüssigkeit wird aus der Auslaßleitung 4 der Kühlpumpe 3 durch die Leitung 5 dem Kühlmantel 47 eines "isothermischen" Kompressors 51 zugeführt, . wo dieselbe unter einem Druck gehalten wird, der den flüssigen Zustand durch das Drosselventil 49 aufrechterhält. Das Kühlmittelfluid verläßt den Kühlmantel durch die Leitung 48, Ventil 49 und Leitung 50 und wird in dem mit Energie vermitteln den Zustand teilweise der Verbindungsstelle 4a durch die Leitung 53 zugeführt, wobei eine Menge durch die Leitung 54 zu dem Reservoir 1 zurückgeführt wird. Nachdem das Arbeitsfluid nunmehr eine approximierte isenthalpische Kompression in dem "isothermen" Kompressor 51 erfahren hat, fließt dasselbe durch die Leitung 52 zu der Verbindungsstelle 4a im Zustand 6.
Der dritte Fall, der hier durch die langgestrichelten Linien der Figur 2 wiedergegeben ist, ist insbesondere zweckmäßig in dem Fall, wo verschiedene chemische Verbindungen in den Fluiden vorliegen. Hier muß insbesondere Sorgfalt geübt werden, dergestalt, daß eine innige Berührung zwischen den zwei mit Energie versehenen Fluiden gegeben ist, um so sowohl das chemische als auch das physikalische-Dampf-Flüssigkeitsgleichgewicht wieder aufzubauen. Dies wüd dadurch erreicht, daß der gesamte Kühlmittelfluß durch die Leitung 54 zu dem Reservoir von dem Kompressor 51 und Kühlmantel 47 zurückgeführt wird. Eine weitere Flüssigkeitsmenge wird durch die Kühlmittelpumpe 3 umgewälzt und durch die Leitung 21 von dem Pumpenauslaß 4 geleitet. Dem Flüssigkeitseinlaß des Düseneduktors 22 wird diese Flüssigkeit zugeführt, und hierdurch wird das Arbeitsfluid von dem Kompressorauslaß 52 durch die Leitung 23 dem Eduktor zugeführt. Dort werden die Fluide innig miteinander vermischt und zusammen durch den Eduktσrauslaß 53a der Verbindungsstelle 4a im Zustand C zugeführt.
Einigen Phasentrenneffekte sind beispielsweise in der Figur 2 im Inneren des Niederdruckreservoirs 1 gezeigt. Die wesentliche Hochdruck-Phasentrennung im Zustand C wird duetlicher in der Figur 3 gezeigt. Hier wird in einem einfacheren Fall bewegliche Flüssigkeit durch die Leitung 109, das Steuerventil 127 und die Leitung 97 abgezogen und wird an die Saugleitung 111 der Flüssigkeitspumpe 96 abgegeben, wo diese Flüssigkeit mit Energie versehen und durch die Leitung 104 an den Einlaß des Eduktors 100 abgegeben wird. Hierdurch fließt das Arbeitsfluid zu dem Saugeinlaß 108 des Eduktors 100 durch die Leitung 46. Wie indem letzten Fall der.Figur 2 werden die Fluide vermischt, und es kann eine weitere Zunahme des Drucks des Arbeitsfluids erreicht werden. Die vereinigten Fluide an dem Eduktorauslaß 110 werden durch die Leitung 94 an die Sprühdüse 92 in dem Dampfräum 95A der Trommel 95 abgegeben. Die in dem sich ergebenden Gleichgewichtsdampf mitgerissene Flüssigkeit wird durchdas Netz 91 zum Ausfallen gebracht, während der Dampf weiter im Zustand C durch das Steuerventil 93 und die Leitung 99 fließt. Alle Flüssigkeit sammelt sich in der Trommel, wo die Steuervorrichtung 101 für die Spiegelhöhe das Steuerventil 102 betätigt, wodurch sichergestellt wird, daß ein Fluß eines Flüssigkeitsüberschusses gegenüber der beweglichen Flüssigkeit aufrechterhalten wird. Die Nettomenge des Arbeitsfluids in dem flüssigen Zustand C wird an das Verfahren durch die Leitung 98 abgegeben.
Bezüglich des verwickeiteren Falles der Joule-Thompson Expansion kann die physikalische Form der Trommel gleich oder modifiziert sein bezüglich eines senkrechten Wärmeaustauschers (nicht gezeigt) mit einem Dampf-Abtrennraum.Dieses Fließmuster wird modifiziert durch Beschärnken des Flusses durch das Steuerventil 125, Umlenken der beweglichen Flüssigkeit durch die Leitung 102 und durch das Drosselventil 121, wo ein Auf teilen in Flüssigkeit und Dampf in Mengen erfolgt, die von dem Druck abhängen. Nach einem Abkühlen durch Verdampfen treten die Fluide in die Niederdrucktrommel 120 ein, von wo aus durch die Leitung 126 eine unterkühlte bewegliche Flüssigkeit dem Ansaugteil 111 der Pumpe 96 zugeführt wird. Der abgekühlte Dampf tritt aus der Niederdrucktrommel 102 durch die Leitung 122 aus und wird der untergetauchten Kühlspule 112 zugeführt, die die bewegliche Flüssigkeit vorkühlt. Dieser selbst angewärmte Dampf, wenn er ausreichend in kleinen Mengen vorliegt, kann durch die Leitung 1 07 abgeführt werden oder wenn ein ausreichend hoher Druck vorliegt, kann derselbe durch die Leitung 113 erneut dem Arbeitsfluid zugeführt werden. Bei 113 kann parasitäre Energie (nicht gezeigt) dazu angewandt werden, dieses zurückgeführte Fluid erneut zu komprimieren, worauf sich eine Kühlung durch Umweltsbedingungen (nicht gezeigt) anschließt, bevor eine Zurückführung zu dem Saugende 108 des Eduktors erfolgt.
Die Figur 4 zeigt beispielsweise das normale Arbeiten für die Entfernung von Propan aus Benzin und zeigt, daß Benzin enthaltendes Propan durch die Leitung 201 aufgrund des Saugendes 202 der Pumpe 203 eintritt. Der Strom wird durch die Leitung 204 an den Wärmeaustauscher 205 abgegebenen und fließt durch die Leitung 206 zu der das Propan entfernenden Destillationskolonne 207. Die flüssige Bodenfraktion dieser Kolonne kann durch die Leitung 208 abgezogen und erneut in den Austauscher 209 zum Sieden gebracht werden. Die Nettowärme Q3 wird hier an das System abgegeben. Das austretende Produkt aus diesem Wärmeaustauscher in Form einer gemischten Phase tritt in den unteren Dampfräum der Kolonne 207 durch die Leitung 210 ein, und ein flüssiger Anteil wird von dem Bodenraum durch die Leitung 211 abgezogen und dem Wärmeaustauscher 205 zugeführt. Der gesamte Dampfström der Kolonne 207 wird durch die Leitung 212 abgezogen und in den Einlaß 213 des Wasserkühler-Kondensators 214 ein. Es erfolgt sodann eim vollständig kondensierten Zustand eine Weiterleitung durch die Leitung 215 zu der Vorrichtung 216. In dem Wasserkühler-Kondensor wird die Wärme Q5 aus dem System entfernt. Das gesamte flüssige Produkt wird von der Vorrichtung 216 durch eine Produkt-Rückflußpumpe 217 abgezogen und durch die Leitung 218 dem oberen Teil der Kolonne 207 durch die Leitung 219 als Rückflußprodukt zugeführt oder durch die Leitung 220 wird das Propanprodukt einem nicht gezeigten Lager zugeführt.
Die Bodenfraktion Benzin wird anhand des aus dem Wärmeaustauscher 205 kommenden Produktes erhalten und in einem Wasserunterkühler 221 abgekühlt, in dem die Wärme Q4 aus dem System entfernt wird und durch die Leitung 242 wird das reine Benzinprodukteinem nicht gezeigten Lager zugeführt.
Bei der praktischen Durchführung der Erfindung werden Teile des Dampfstroms zeitweilig aus der Leitung 212 durch die Leitung 243 abgeleitet und dem Ansaggteil der Expansionsturbin 232 oder nicht gezeigter Expansionsvorrichtung zugeführt. Soll te irgendwo zusätzliche Abwärme zur Verfügung stehen, kann der Teil des durch die Leitung 243a abgezogenen Dampfstroms einer Anlage für die Rückgewinnung von Abwärme zugeführt werden, die in der Figur 2 als Spule 229 in einer Kammer eines Prozeßerhitzers 203 gezeigt ist, um so Konvektionswärme und/oder zusätzliche Wärmekapazität zurückzugewinnen, die derzeit nicht genutzt wird. An dieser Stelle wird zusätzliche Wärme Q2 in das System eingeführt.Der die Plenumkammer durch die Leitung 231 verlassende überhitzte Dampf wird sodann dem Saugteil 232 der Expansionsvorrichtung 233 zugeführt. Die Anwendungsmöglichkeiten einer derartigen Abwärme können in der folgenden Weise noch weiter verbessert werden. Das gesamte Dampfstromprodukt der Kolonne 207 wird durch die Leitung 215 in die Vorrichtung 216 überführt. In Übereinstimmung mit der zur Verfügung stehenden überschüssigen Wärme werden sodann geeignete Flüssigkeitsmengen in einem Seitenstrom durch die Leitung 226 abgezogen und schließlich wieder als erhöhter Fluß durch die Vorrichtung zum Entfernen von Propan erneut zugeführt. Wie weiter oben ist die identische Menge an Dampfprodukt verfügbar für ein Abziehen zwecks Behandeln am Rückfluß, so daß das gewonnene Propan an ein Lager abgegeben werden kann. Im Verlaufe der Prozeßführung wird ein Teil des im Prozeß geführten Propans durch die Pumpe 227 vermittels der Leitung 226 aufgenommen und durch die Leitung 228 abgegeben. Dieses Produkt wird dem Einlaß der Wärmerückgewinnungsanlage 230 zugeführt und tritt, wie weiter oben erläutert, durch die Leitung 231 und 232 in die Expansionsvorrichtung 233 ein.
Die Expansionsvorrichtung wird durch das Arbeitsfluid gedreht, wodurch sich typische Arbeitsvorgänge wie ein Drehen der Welle 234 ergeben, die ihrerseits ein Übersetzungsgetriebe 235, Welle 236 und Generator 237 antreibt, wodurch der Kreisprozeß eine Netzleistung W erzeugt. Das aus der Expansionsvorrichtung 233 austretende Produkt wird durch die Leitung 238 an den Wärmeaustauscher 239 abgegeben, der eine Quelle für Umweltwärme ist, jedoch insbesondere von Wert ist aufgrund des Zurverfügungstellens von Temperaturen, die im wesentlichen unter der Umweltstemperatur liegen. Im Verlaufe einer derartigen Abkühlung wird dem System die Wärme Q1 zugeführt. Das im Kreisprozeß geführte Volumen des Arbeitsfluids in der Dampfphase wird sodann durch die Leitung 240, die Leitung 225 abgegeben und dem Ansaugteil 202 der Hauptspeisepumpe 203 zugeführt oder im allgemeinen dem System für die isenthalpische Kompression 223. Eine weitere abgewandelte Ausführungsform, steht für eine erhöhte Zirkulationskapazität des Arbeitsfluids zur Verfügung: es handelt sich um eine Erhöhung der Benzinzirkukation. Soweit es die Kapazitäten der Ausrüstung ermöglichen, können Mengen des Produktbenzins an dem Auslaß des Wasserkühlers 221 zeitweilig abgeleitet werden, da dieselben schließlich durch die Zurückführung in dem Gesamtfluß an dieser Stelle erneut auftreten. Somit wird die identische Benzinproduktion immer noch durch die Leitung 242 zur Verfügung stehen und kann der Lagerung zugeführt werden. Das abgeleitete Benzin, das unter dem Arbeitsdruck der Vorrichtung zur Entfernung des Propans steht abzüglich kleiner Reibungsverluste, tritt als bewegliche Flüssigkeit an der Einlaßdüse des Düsenmischers 223 auf. Das dampfförmige Arbeitsfluid in der Leitung 240 wird nicht der Leitung 225 zugeführt, sondernüber das Ansaugteil 241 des Mischers 223 abgeleitet, und die kombinierten Ströme werden durch den Auslaß 224 der Leitung 225 für die Führung im Kreisprozeß zugeführt.
Im Rahmen der Erfindung lassen sich Abwandlungen und Modifizierungen durchführen. So ist das Prinzip des Pumpens einer nicht kompressiblen Flüssigkeit und Verringern, soweit möglich ohne Wärmeverlust, des Temperaturanstieges bei der Kompression der kompressiblen Fluide und das Anwenden beweglicher Flüssigkeiten chemischer Verbindungen anderer Art als des Arbeitsfluids im Rahmen der erfindungsgemäßen isothalpisehen Kompression möglich, d.h. eine Approximation der irreversiblen adiabatischen Kompression.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren für das Approximieren einer isenthalpischen Kompression eines Arbeitsfluid von einem Zustand B (entsprechend einem Druck P2 niedriger als ein Druck P1 eines Zustandes A und einer Temperatur T2 niedriger als eine Temperatur T1 des Zustands A) in einen Zustand C (entsprechend einem Druck P3 angenähert P1 und einer Temperatur T3 zwischen den Temperaturen T1 und T2, dergestalt, daß T2< T3 <T1) g e k e n n z e i c h n e t durch die folgenden Arbeitsschritte: Zuführen von Energie an das Arbeitsfluid im Zustand B durch a) Pumpen einer großen Menge einer beweglichen Flüssigkeit auf einen Druck wenigstens so groß wie P3 und ausreichend hoch um dessen flüssigen Zustand aufrechtzuerhalten, während fühlbare. Wärme aus dem Arbeitsfluid aufgenommen wird; b) Inverbindungbringen des Arbeitsfluids mit der unter Druck gesetzten beweglichen Flüssigkeit in einer insgesamt adiabatischen Umwelt, dergestalt, daß eine örtliche Überführung von Wärmeenergie zwischen den zwei Fluiden erfolgt, während deren physikalische Trennung aufrechterhalten wird, wobei die bewegliche Flüssigkeit dazu dient, den Temperaturanstieg zu begrenzen und ein überhitzen des Arbeitsfluids zu verhindern, indem die zwei Fluide bei gleichen Temperaturen gehalten werden, und c) direktes Komprimieren des Arbeitsfluid während dasselbe diesen Bedingungen ausgesetzt ist, auf einen Druck P3 und eine Temperatur T3, wobei während dieser Kompression wenigstens eine teilweise Kondensation des Arbeitsfluids erfolgt und gleichzeitig die latente Verdampfungswärme des Kondensats an die bewegliche Flüssigkeit abgegeben wird, wodurch der Zustand C für das Arbeitsfluid erreicht wird.
2 , Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß zusätzlich eine Joule-Thompson Expansion des beweglichen Fluid durchgeführt wird, um so in der erforderliche Weise eine zusätzliche Abkühlung zu erzielen.
3. Thermodynamischer Kreisprozeß, g e k e n n z e i c h n e t durch die folgenden Arbeitsschritte:
1 ) Expandieren eines Arbeitsfluid aus einem Zustand A (entsprechend einem Druck P1 und einer Temperatur T1 außerhalb einer Dampf-Flüssigkeitsphasen-Umhüllenden für das Arbeitsfluid) in einen Zustand B (entsprechend einem Druck P2 niedri ger als P1 und einer Temperatur T2 niedriger als T1), der innerhalb der Dampf-Flüssigkeitsphasen-Umhüllenden für das Arbeitsfluid liegen kann;
2) Energievermittlung an das Arbeitsfluid von dem Zustand B in den Zustand C (entsprechend einem Druck P3 angenähert P1 und einer Temperatur T3 zwischen den Temperaturen T1 und T2 dergestalt, daß T2< T3< T1) der innerhalb der Dampf-Flüssigkeitsphasen-Umhüllenden für das Arbeitsfluied liegen kann, vermittels a) Pumpen einer großen Menge einer beweglichen Flüssigkeit auf einen Druck wenigstens so groß wie P3 und ausreichend hoch, um dessen flüssigen Zustand aufrechtzuerhalten, während fühlbare Wärme aus dem Arbeitsfluid aufgenommen wird; b) Inverbindungbringen des Arbeitsfluids mit der unter Druck gesetzten beweglichen Flüssigkeit in einer insgesamt adiabatischen Umwelt dergestalt, daß eine örtliche Überführung von Wärmeenergie zwischen den zwei Fluiden erfolgt, während deren physikalische Trennung aufrechterhalten wird, wobei die bewegliche Flüssigkeit dazu dient, den Temperaturanstieg zu begrenzen und ein überhitzen des Arbeitsfluids zu verhindern, indem die zwei Fluide bei gleichen Temperaturen gehalten werden und c)direktes Komprimieren des Arbeitsfluid, während dasselbe diesen Bedingungen ausgesetzt ist, auf einen Druck P3 und eine Temperatur T3, wobei während dieser Kompression wenigstens eine teilweise Kondensation des Arbeitsfluids erfolgt und gleichzeitig die latente Verdampfungswärme des Kondensats an die bewegliche Flüssigkeit abgegeben wird, wodurch der Zustand C für das Arbeitsfluid erreicht wird,
3) Vermischen des austretenden Zweiphasen-Gemischs der direkten Kompression mit einem gedrosselten flüssigen Kühlmittel eines Kompressors, wobei der Druck P3 auf das Arbeitsfluid zurückgehalten wird, so daß die sich ergebenden zwei Phasen, eine Flüssigkeit und ein Dampf, sich in einem physikalischen und chemischen Gleichgewicht befinden, wodurch das bewegliche Fluid in jeder Hinsicht in seinen ursprünglichen Zustand als ein Teil der sich ergebenden flüssigen Phase gebracht wird, sowie die Menge und Zusammensetzung des Arbeitsfluids wieder auf den früheren Wert gebracht wird als die Kombination des gesamten sich ergebenden Dampfes und dem restlichen Anteil der sich ergebenden Flüssigkeit und
4) das Arbeitsfluid in der erforderlichen Weise erwärmt wird unter Erreichen der Temperatur T1, wodurch das Arbeitsfluid in allen Aspekten in den Zustand A zurückgeführt wird, wobei eine angenäherte isenthalpische Kompression des Arbeitsfluid in einem thermodynamischen Kreisprozeß vorliegt.
4. Thermodynamischer Kreisprozeß nach Anspruch 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß zusätzliche eine JouleThompson Expansion des beweglichen Fluid durchgeführt wird, um so in der erforderlichen Weise eine zusätzliche Abkühlung zu erzielen.
5. Thermodynamischer Kreisprozeß nach Anspruch 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Arbeitsfluid und/oder das bewegliche Fluid ein Gemisch aus chemischen Verbindungen und unterschiedlicher Zusammensetzung ist.
6. Thermodynamischer Kreisprozeß, g e k e n n z e i c hn e t, durch die folgenden Arbeitsschritte:
1 ) Expandieren des Kühlarbeitsfluids von einem Zustand A (entsprechend einem Druck P1 und einer Temperatur T1 außerhalb einer Dampf-Flüssigkeits-Umhüllenden für das Arbeitsfluid) in einen Zustand B (entsprechend einem Druck P2 niedriger als P1 und einer Temperatur T2 niedriger als T1) der innerhalb der Dampf-Flüssigkeitsphasen-Umhüllenden für das Arbeitsfluid liegen kann,
2) Energievermittlung an das Kühlarbeitsfluid von einem Zustand B in einen Zustand C (entsprechend einem Druck P3, angenähert P1 und einer Temperatur T3 zwischen den Temperaturen T1 und T2, dergestalt, daß T2< T3< T1) der innerhalb der DampfFlüssigkeitsphasen-Umhüllenden für das Arbeitsfluid liegen kann vermittels a) Pumpen einer großen Menge einer beweglichen Flüssigkeit auf einen Druck wenigstens so groß wie P3 und ausreichend hoch, um dessen flüssigen Zustand aufrechtzuerhalten, während fühlbare Wärme aus dem Arbeitsfluid aufgenommen wird, b) Inverbindungbringen des Arbeitsfluids mit der unter Druck gesetzten beweglichen Flüssigkeit in einer insgesamt adiabatischen Umwelt dergestalt, daß eine örtliche Überführung von Wärmeenergie zwischen den zwei Fluiden erfolgt, während deren physikalische Trennung aufrechterhalten wird, wobei die bewegliche Flüssigkeit dazu dient, den Temperaturanstieg zu begrenzen und ein überhitzen des Arbeitsfluids zu verhindern, indem die zwei Fluide bei gleichen Temperaturen gehalten werden und c) direktes Komprimieren des Arbeitsfluid während dasselbe diesen Bedingungen ausgesetzt ist, auf einen Druck P3 und eine Temperatur T3, wobei während dieser Kompression wenigstens eine teilweise Kondensation des Arbeitsfluids erfolgt und gleichzeitig die latente Verdampfungswärme des Kondensats an die bewegliche Flüssigkeit abgegeben wird, wodurch der Zustand C für das Arbeitsfluid erreicht wird,
3) Vermischen des austretenden Zweiphasen-Gemisches der direkten Kompression mit einem gedrosselten flüssigen Kühlmittel eines Kompressors, wobei der Druck P3 auf das Arbeitsfluid zurückgehalten wird, so daß die sich ergebenden zwei Phasen, eine Flüssigkeit und ein Dampf,sich in einem physikalischen und chemischen Gleichgewicht befinden, wodurch das bewegliche Fluid in jeder Hinsicht in seinen ursprünglichen Zustand als ein Teil der sich ergebenden flüssigen Phase gebracht wird, sowie die Menge und Zusammensetzung des Arbeitsfluids wieder auf den früheren Wert gebracht wird als die Kombionation des gesamten sich ergebenden Dampfes und dem restlichen Anteil der sich ergebenden Flüssigkeit und
4) das Arbeitsfluid in der erforderlichen Weise eräwmrt wird unter Erreichen der Temperatur T1, wodurch das Arbeitsfluid in allen Aspekten in den Zustand A zurückgeführt wird, wobei eine angenäherte isenthalpische Kompression des Arbeitsfluid in einem thermodynamischen Kreisprozeß vorliegt.
7. Thermodynamischer Kreisprozeß nach Anspruch 6 , dadurch g e ke n n z e i chn e t, daß zusätzlich eine Joule-Thompson Expansion des beweglichen Fluid durchgeführt wird.
8. Thermodynamischer Kreisprozeß nach Anspruch 6, dadurch g ek e nn z e i c h n e t , daß zusätzlich der Arbettsschritt eines Kühlens und/oder Entfernen von Wärme aus wenigstens einem der zwei Fluide durchgeführt wird, wodurch eine Auswahl der Zustände A, B und C für die zwei Fluide für die vorgesehenen chemischen Verbindungen möglich wird.
9. Vorrichtung für das Approximieren einer isenthalpischen Kompression eines Arbeitsfluids aus einem Zustand B (entsprechend einem Druck P2 niedriger als ein Druck P1 eines Zustandes A und einer Temperatur T2 niedriger als eine Temperatur T1 des Zustands A) in einen Zustand C (entsprechend einem Druck P3 angenähert P1 und einer Temperatur T3 zwischen den Temperaturen T2 und T3, dergestalt, daß T2< T3< T1) g e k e n n z e i c h n e t durch eine Anordnung für das Vermitteln von Energie an das Arbeitsfluid im Zustand B vermittels a) einer Anordnung für das Pumpen einer großen Menge einer beweglichen Flüssigkeit auf einen Druck wenigstens äo groß wie P3 und ausreichend hoch, um deren flüssigen Zustand aufrechtzuerhalten, während fühlbare Wärme aus dem Arbeitsfluid aufgenommen wird, b) eine Anordnung für das Inverbindungbringen des Arbeitsr fluids mit der unter Druck gesetzten beweglichen Flüssigkeit in einer allgemein adiabatischen Umwelt, so daß eine örtliche Übertragung von Wärmeenergie zwischen den zwei Fluiden erfolgt während gleichzeitig deren physikalische Trennung aufrechterhalten wird, wobei die bewegliche Flüssigkeit dazu dient, den Temperaturanstieg zu begrenzen und ein überhitzen des Arbeitsfluids dadurch verhindert wird, daß die zwei Fluide bei gleichen Temperaturen gehalten werden, und c) eine Anordnung für das direkte Komprimieren des Arbeitsfluids, während dasselbe diesen Bedingungen ausgesetzt ist, auf einen Druck P3 und Temperatur T3, wobei während dieser Kompression wenigstens eine Teilkondensation des Arbeitsfluid und gleichzeitig Abgabe der latenten Verdampfungswärme des Kondensates an die bewegliche Flüssigkeit erfolgt, wodurch das Arbeitsfluid den Zustand C erreicht.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch g ek e nn z e i c hn et , daß das System der zwei Fluide aus mehr als einer chemischen Verbindung besteht.
11. Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozeß, dadurch g e k e n nz e i c hn e t , durch
1 ) eine Turbine für das Expandieren eines Arbeitsfluids auf einen Zustand A (entsprechend einem Druck P1 und einer Temperatur T1 außerhalb einer Dampf-Flüssigkeitsphasen-Umhüllenden für das Arbeitsfluid) in einen Zustand B (entsprechend einem Druck P2 niedriger als P1 und einer Temperatur T2 niedriger als T1) , der innerhalb der Dampf-Flüssigkeitsphasen-Umhüllenden für das Arbeitsfluid liegen kann,
2) eine Anordnung für das Zuführen an Energie an das Arbeitsfluid von dem Zustand B in den Zustand C (entsprechend einem Druck P3 angenähert P1 und einer Temperatur T3 zwischen den Temperaturen T1 und T2, dergestalt, daß T2< T3< T1), der in die Dampf-Flüssigkeitsphasen-Umhüllende für das Arbeitsfluid fallen kann, vermittels a) einer Anordnung für das Pumpen einer großen Menge einer beweglichen Flüssigkeit auf einen Druck wenigstens so groß wie P3 und ausreichend hoch, um deren flüssigen Zustand aufrechtzuerhalten, während fühlbare Wärme aus dem Arbeitsfluid aufgenommen wird, b) einer Anordnung für das Inverbindungbringen des Arbeitsfluid mit der unter Druck gesetzten beweglichen Flüssigkeit in einer allgemein adiabatischen Umwelt, so daß eine örtliche Übertragung von Wärmeenergie zwischen den zwei Fluiden erfolgt, während gleichzeitig deren physikalische Trennung aufrechterhalten wird, wobei die bewegliche Flüssigkeit dazu dient, den Temperaturanstieg zu begrenzen und ein überhitzen des Arbeeitsfluids dadurch verhindert wird, daß die zwei Fluide bei gleichen Temperaturen gehalten werden, und c) eine Anordnung für das direkte Komprimieren des Arbeitsfluids, während dasselbe den Bedingungen ausgesetzt ist, auf einen Druck P3 und Temperatur T3, wobei während dieser Kompression wenigstens eine Teilkondensation des Arbeitsfluid und gleichzeitig Abgabe der latenten Verdampfungswärme des Kondensates an die bewegliche Flüssigkeit erfolgt, wodurch das Arbeitsfluid den Zustand C erreicht, 3) eine Anordnung zum Vermischen des austretenden ZweiphasenGemisches der direkten Kompression mit einem gedrosselten flüssigen Kühlmittel eines Kompressors, wobei der Druck P3 auf das Arbeitsfluid zurückgehalten wird, so daß die sich ergebenden zwei Phasen, eine Flüssigkeit und Dampf, sich in einem physikalischen und chemischen Gleichgewicht befinden, wodurch das bewegliche Fluid in jeder Hinsicht in seinen ursprünglichen Zustand als ein Teil der sich ergebenden flüssigen Phase gebracht wird, sowie die Menge und Zusammensetzung des Arbeitsfluid als Kombination des gesamten sich ergebenden Dampfes und des Restes der verbleibenden Flüssigkeit auf den früheren Wert gebracht wird, und
4) eine Anordnung zum Erwärmen der Arbeitsfluide zwecks Erreichen der Temperatur T1 , wodurch das Arbeitsfluid in allen Punkten in den Zustand A zurückgeführt wird, wobei eine angenäherte isenthalpische Kompression des Arbeitsfluid in dem thermodynamischen Kreislauf vorliegt.
12. Thermodynamische Kreisprozeßvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß zusätzlich der Arbeitsschritt eines Kühlens und/oder Entfernens von Wärme aus wenigstens einem der zwei Fluide durchgeführt wird, wodurch eine Auswahl der Zustände A, B und C für die zwei Fluide für die vorgesehenen chemischen Verbindungen möglich wird.
13. Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozeß nach Anspruch 11 , dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß zusätzlich eine Joule-Thompson Expansionsvorrichtung für das Unterkühlen wenigstens eines der zwei Fouide vorgesehen ist.
14. Verfahren für das Approximieren einer isenthalpischen Kompression eines Arbeitsfluid von einem Zustand B (entsprechend einem Druck P2 niedriger als einem Druck P1 des Zustandes A und einer Temperatur T2 niedriger als einer Temperatur T1 des Zustandes A) in einen Zustand C (entsprechend einem Druck P3 angenähert P1 und einer Temperatur T3 zwischen den Temperaturen T1 und T2 dergesaalt, daß
T2< T3 <T1 ) g e ke n n z e i c h n e t durch die folgenden Arbeitsschritte: Zuführen von Energie an das Arbeitsfluid im Zustand B durch a) Inverbindungbringen und Vermischen des Arbeitsfluids mit einer großen Menge eines flüssigen Lösungsmittels, das so ausgewählt ist, daß die zwei Fluide in eine einzige flüssige Phase überführt werden und sodann b) die vereinigte flüssige Phase auf den Druck P3 und Temperatur T3 gepumpt unter Erreichen des Zustandes C für das Arbeits fluid.
15. Verfahren nach Anspruch 14 , dadurch g e k e n n z e i c h n e t durch den zusätzlichen Arbeitsschritt des Entfernens von Wärme aus wenigstens einem der zwei Fluide, wodurch eine Auswahl der Zustände A, B und C für die zwei Fluide für eine vorgeschriebene chemische Verbindung möglich gemacht wird.
16. Thermodynamischer Kreisporzeß, g e k e nn z e i c hn e durch die folgenden Arbeitsschritte:
1 ) Expandieren eines Arbeitsfluid aus einem Zustand A (entsprechend einem Druck P1 und einer Temperatur T1 außerhalb einer Dampf-Flüssigkeitsphasen-Umhüllenden für das Arbeitsfluid) in einen Zustand B (entsprechend einem Druck P2 niedriger als P1 und einer Temperatur T2 niedriger als T1) , der innerhalb der Dampf-Flüssigkeitsphasen-ümhüllenden für das Arbeitsfluid liegen kann,
2) Energievermittlung an das Arbeitsfluid von dem Zustand B in den Zustand C (entsprechend einem Druck P3 angenähert P1 und einer Temperatur T3 zwischen den Temperaturen T1 und T2 dergestalt, daß T2< T3 < T1) der innerhalb der Dampf-Flüssigkeitsphasen-Umhüllenden für das Arbeitsfluid liegen kann, vermittels a) Inverbindbringen und Vermischen des Arbeitsfluids mit einer großen Menge eines flüssigen Lösungsmittels, das so ausgewählt ist, daß die zwei Fluide in eine einzige flüssige Phase überführt werden und saodann b) Pumpen der vereinigten flüssigen Phase auf den Druck P3 und Temperatur T3 unter Erreichen des Zustandes C für das Arbeitsfluid;
3) das Arbeitsfluid aus dem Zustand C zurück in den Zustand A gebracht wird durch a) Destillieren der sich ergebenden Fluide aus dem Phasenverhältnis, das beim Zustand C vorliegt unter Wiederherstellen der Zusammensetzung und Menge des Arbeitsfluids in dem Destillationsdampf und die Zusammensetzung und Menge der beweglichen Flüssigkeit in dem Destillationsrückstand wiederhergestellt wird und b) der sich ergebende Dampf des Arbeitsfluids in der erforderlichen Weise erwärmt wird unter Wiederaufbau der Temperatur und Drucks des Zustandes A und
4) überführen der beweglichen Flüssigkeit durch Abkühlen und/oder Entfernen von Wärme aus der sich ergebenden Flüssigkeit in der erforderlichen Weise, um dieselbe wieder in ihren ursprünglichen Zustand zu bringen, wodurch eine angenäherte isenthalpische Kompression des Arbeitsfluids in dem thermodynamischen Kreisporzeß vorliegt.
17. Verfahren für einen thermodynamischen Kreisprozeß, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß zusätzlich eine Joule-Thompson Expansion des beweglichen Fluid durchgeführt wird, um so in der erforderlichen Weise eine zusätzliche Abkühlung zu erzielen.
18. Verfahren für einen thermodynamischen Kreisporzeß, g e k e n n z e i c h n e t durch die folgenden Arbeitsschritte: 1) Expandieren eines Arbeitsfluid aus einem Zustand A (entsprechend einem Druck P1 und einer Temperatur T1 außerhalb einer Dampf-Flüssigkeitsphasen-Umhüllenden für das Arbeitsfluid) in einen Zustand B (entsprechend einem Druck P2 niedriger als P1 und einer Temperatur T2 niedriger als T1) , der innerhalb der Dampf-Flüssigkeitsphasen-Umhüllenden für das Arbeitsfluid liegen kann,
2) Energievermittlung an das Kühlarbeitsfluid von einem Zustand B in den Zustand C (entsprechend einem Druck P3 angenähert P1 und einer Temperatur T3 zwischen den Temperaturen T1 und T2 dergestalt, daß T2< T3 <T1) der innerhalb der Dampf-Flüssigkeitsphasen-Umhüllenden für das Arbeitsfluid liegen kann, vermittels a) Inverbindungbringen und Vermischen des Arbeitsfluids mit einer großen Menge eines flüssigen Lösungsmittels, das so ausgewählt ist, daß die zwei Fluide in eine einzige flüssige Phase überführt werden und sodann b) Pumpen der vereinigten flüssigen Phase auf den Druck P3 und Temperatur T3 unter Erreichen des Zustandes C für das Arbeitsfluid;
3) Das Arbeitsfluid aus dem Zustand C zurück in den Zustand A gebracht wird durch a) Destillieren der sich ergebenden Fluide aus dem Phasenverhältnis, das beim Zustand C vorliegt unter Wiederherstellen der Zusammensetzung und Menge des Arbeitsfluids in dem Destillationsdampf und die Zusammensetzung und Menge der beweglichen Flüssigkeit in dem Destillationsrückstand wiederhergestellt wird und b) der sich ergebende Dampf des Arbeitsfluids in der erforderlichen Weise erwärmt wird unter Wiederaufbau der Temperatur und des Drucks des Zustandes A, und
4) Überführen der beweglichen Flüssigkeit durch Abkühlen und/ oder Entfernen von Wärme aus der sich ergebenden Flüssigkeit in der erforderlichen Weise, um dieselbe wieder in ihren ursprünglichen Zustand zu bringen, wodurch eine angenäherte isenthalpische Kompression des Arbeitsfluids in dem thermodynamischen Kreisprozeß vorliegt, wodurch eine angenäherte isenthalpische Kompression des KühlArbeitsfluids in einem geschlossenen thermodynamischen Kreisprozeß mit einem Zustand A unter Umweltsbedingungen vorliegt.
19. Verfahren für einen thermodynamischen Kreisprozeß, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Kreisprozeß zusätzlich eine Joule-Thompson Expansion von wenigstens einem dder zwei Fluiden aufweist.
20. Vorrichtung für das Approximieren einer isenthalpischen Kompression eines Arbeitsfluids aus einem Zustand B (entsprechend einem Druck P2 niedriger als ein Druck P1 eines Zustandes A und einer Temperatur T2 niedriger als eine Temperatur T1 des Zustands A) in eienen Zustand C (entsprechend einem Druck P3 angenähert P1 und einer Temperatur T3 zwischen den Temperaturen T1 und T2, dergestalt, daß T2< T3< T1) , g e k e n n z e i c h n e t durch eine Anordnung zum überführen von Energie an das Arbeitsfluid in den Zustand B vermittels a) einer Anordnung für das Inverbindungbringen und Vermischen des Arbeitsfluissmit einer großen Menge eines beweglichen Lösungsmittels, das so ausgewählt ist, daß die zwei Fluide in einer einzigen Phase vorliegen und b) einer Anordnung für das Pumpen der vereinigten flüssigen Phase auf den Druck P3 und die Temperatur T3 , wodurch der Zustand C für das Arbeitsfluid in einer Vorrichtung erreicht wird, die die isenthalpische Kompression approximiert.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Anordnung für das Entfernen der Wärme aus wenigstens einem derzwei Fluide vorliegt, wodurch eine Auswahl der Zustände A, B und C für die vorgesehene chemische Verbindung möglich ist.
22. Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozeß, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß
1 ) eine Turbine für das Expandieren eines Arbeitsfluid aus einem Zustand A (entsprechend einem Druck P1 und einer Temperatur T1 außerhalb einer Dampf-Flüssigkeitsphasen-Umhüllenden für das Arbeitsfluid) in einen Zustand B (entsprechend einem Druck P2 niedriger als P1 und einer Temperatur T2 niedriger als T1), die innerhalb der Dampf-Flüssigkeitsphasen-Umhüllenden für das Arbeitsfluid liegen kann,
2) eine Anordnung für das überführen von Energie an das Arbeitsfluid von dem Zustand B zu dem Zustand C (entsprechend einem Druck P3 approximiert P1 und einer Temperatur T3 zwischen den Temperaturen T1 und T2, dergestalt, daß T2< T3< T1) der in die Dampf-Flüssigkeitsphasen-Umhüllende fallen kann, vorgesehen ist, vermittels a) einer Anordnung für das Inverbindungbringen und Vermischen des Arbeitsfluid mit einer großen Menge eines beweglichen Lösungsmittels, das so ausgewählt ist, daß die zwei Fluide in eine einzige flüssige Phase überführt werden und b) eine Anordnung für das Pumpen der vereinigten flüssigen Phase auf den Druck P3 und eine Temperatur T3 , wodurch der Zustand C für das Arbeitsfluid erreicht wird,
3) eine Anordnung für das überführen des Arbeitsfluid aus dem Zustand C zurück in den Zustand A vermittels einer Anordnung für a) das Destillieren der sich ergebenden Fluide aus dem Phasenverhältnis, das in dem Zustand C vorliegt unter Wiederaufbau der Zusammensetzung und Menge des Arbeitsfluid in dem Destillationsdampf und der Zusammensetzung und Menge der beweg liehen Flüssigkeit in dem Destillationsrückstand und b) Erwärmen des sich ergebenden Arbeitsfluiddampfes in der notwenigen Weise unter erneuter Überführung auf die Temperatur und Druck des Zustandes A und
4) eine Anordnung für die erneute Überführung der beweglichen Flüssigkeit durch Kühlen und/pder Entfernen von Wärme aus der sich ergebenden Flüssigkeit in der erforderlichen Weise unter überführen in den ursprünglichen Zustand, wodurch sich eine Vorrichtung ergibt, durch die eine isenthalpische Kompression des Arbeitsfluids in einem geschlossenen thermodynamischen Kreislauf ergibt.
23. Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozeß, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß zusätzlich eine JouleThompson Expansionsvorrichtung für das Unterkühlen wenigstens eines der zwei Fluide vorgesehen ist.
24. Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozeß, g ek e n n z e i c h n e t durch die folgenden Arbeitsschritte
1 ) eine Turbinenanordnung zur Expansion eines Kühlarbeitsfluid von dem Zustand A (entsprechend einem Druck P2 und einer Temperatur T1 außerhalb der Dampf-Flüssigkeitsphasen-Umhüllenden für die Arbeitsflüssigkeit) in einen Zustand B (entsprechend einem Druck P2 geringerals P2 und einer Temperatur T2 niedriger als T1), die innerhalb der Dampf-Flüssigkeitsphasen-Umhüllenden für das Arbeitsfluid liegen kann,
2) eine Anordnung für das überführen von Energie an das Arbeitsfluid von dem Zustand B zu dem Zustand C (entsprechend einem Druck P3 approximiert P2 und einer Temperatur T3 zwischen den Temperaturen T1 und T2 dergestalt, daß T2<T3<T1 ) der in die Dampf-Flüssigkeitsphasen-Umhüllende fallen kann, durch a) eine Anordnung für das Inverbindungbringen und Vermischen des Arbeitsfluid mit einer großen Menge eines beweglichen Lösungsmittels, das ao ausgewählt ist, daß die zwei Fluide in eine einzige flüssige Phase überführt werden und b) eine Anordnang für das Pumpen der vereinigten flüssigen Phase auf den Druck P3 und die Temperatur T3, wodurch der Zustand C für das Arbeitsfluid erreicht wird,
3) eine Anordnung für das überführen des Kühlfluids aus dem Zustand C zurück in den Zustand A, vermittels a) einer Anordnung für das Destillieren der sich ergebenden Fluide aus dem Phasenverhältnis, das bei dem Zustand C unter ausreichendem Druck vorliegt unter Wiederaufbau der Zusammensetzung und Menge des Arbeitsfluids in dem Destillationsdampf und der Zusammensetzung und Menge der beweglichen Flüssigkeit in dem Destillationsrückstand und b) eine Anordnung für das Erwärmen des sich ergebenden Dampfes des Kühlfluids unter Anwendung niedriger Temperaturwerte und/oder Umweltsbedingungen in der erforderlichen Weise unter Zurückführen auf die Temperatur und den Druck des Zustandes A und
4) eine Anordnung, durch die die bewegliche Flüssigkeit durch Abkühlen und/oder Entfernen von Wärme aus der sich ergebenden Flüssigkeit in der erforderlichen Weise wieder auf ihren ursprünglichen Zustand gebracht wird, wodurch eine angenäherte isenthalpische Kompression des Kühlfluids in einem geschlossenen thermodynamischen Kreisprozeß vorliegt, der unter Umweltsbedingungen im Zustand A vorliegt.
25. Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozeß nach Anspruch 24, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß zusätzlich eine Joule-Thompson Vorrichtung für das Unterkühlen wenigstens einer der zwei Flüssigkeiten vorgesehen ist.
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