EP1673520A2

EP1673520A2 - Vorrichtung zur erzeugung mechanischer bzw. elektrischer energie unter nutzung beliebiger wärmepotentiale

Info

Publication number: EP1673520A2
Application number: EP04786728A
Authority: EP
Inventors: Volker Deppe
Original assignee: Deppe Volker
Current assignee: DEPPE, VOLKER
Priority date: 2003-09-17
Filing date: 2004-09-09
Publication date: 2006-06-28
Also published as: WO2005028815A2; WO2005028815A3

Abstract

Erzeugung mechanischer bzw. elektrischer Energie unter Nutzung beliebiger Wärmepotentiale mittels eines Strömungssystems, das mit einem strömenden, kompressiblen Medium beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptkonstruktionsmerkmale von einem Diffusor und einer in den Diffusor integrierten Wärmeaustauschervorrichtung gebildet werden -diese beiden Komponenten und die vorgeschaltete Einströmdüse bilden das so bezeichnete Strömungsmodul-, dass das strömende, sich verdichtende Medium über die Diffusorwärmeaustauscher aufgeheizt bzw. abgekühlt und auf diese Weise ein Strömungsenergieüberschuss erzeugt wird, dass der Strömungsenergieüberschuss über eine an geeigneter Stelle integrierten Turbine bzw. einen Turbogenerator abgeschöpft wird, dass der Strömungsenergieüberschuss entweder mit einem einzelnen Strömungsmodul oder einer Reihenschaltung oder einer Parallelschaltung oder einer Kombination aus Reihen- und Parallelschaltung einer beliebigen Anzahl von Strömungsmodulen erzeugt wird, dass die Wärme, die über die Diffusorwärmeaustauscher der einzelnen Strömungsmodule auf das strömende, sich verdichtende Medium übertragen wird, einer beliebigen Wärmequelle bzw. unterschiedlichen Wärmequellen entstammen kann , dass Wärme durch Rückkopplung aus Strömungszonen höherer Temperatur, insbesondere aus dem Austrittsbereich des Strömungssystems, in Zonen niederer Temperatur zurückgeführt werden kann.

Description

Beschreibung

Erzeugung mechanischer bzw. elektrischer Energie unter Nutzung beliebiger Wärmepotentiale

Wärmepotentiale natürlichen und künstlichen Ursprungs bleiben vielfach ungenutzt. Das hier vorgeschlagene Verfahren und dessen Varianten erlauben, Energiepotentiale dieser Art in höherwertige Energieformen umzusetzen.

Die Verdichtungsströmung eines kompressiblen Mediums durch einen Diffusor hindurch unter isentropen Bedingungen ist gekennzeichnet durch die Konstanz des Gesamtdruckes, also der Summe aus statischem und dynamischem Druck; analog gilt dies ebenso für die Summe aus Druck- und Bewegungsenergie. Spezielle Berechnungen zeigen, daß bei Aufwärmung des strömenden, sich verdichtenden Mediums der Gesamtdruck ansteigt und daß bei Abkühlung ein ähnlicher Effekt festzustellen ist, allerdings in geringerem Maße bezogen auf die ausgetauschte Wärmemenge und gilt nur für den Bereich, der zwischen adiabatischer und isothermer Zustandsänderung angesiedelt ist. Rüstet man den Diffusor mit einem für den Anwendungsfall geeigneten Wärmeaustauscher aus und schaltet eine auf den Diffusor zugeschnittene Einströmdüse voran, so erhält man die Grundstruktur eines Systems, mit dem -bei Beaufschlagung mit einem Luftstrom oder mit der Strömung eines anderen kompressiblen Mediums- Wärme über eine in das Strömungssystem an geeigneter Stelle integrierten Turbine in höherwertige mechanische bzw. elektrische Energie umgesetzt werden kann. Diese strömungs- und ωärmetechnische Struktur, welche zusammen mit den verschiedenen Varianten Gegenstand dieser Beschreibung ist, ist auch vorteilhaft geeignet, das in DE 101 45 941 6 beschriebene Verfahren, welches den Wirkungsgrad von Verbrennungskraftmaschinen durch die Einbeziehung einer Unterdruckstufe in die Prozeßführung verbessert, in die neue Konzeption zu integrieren; DE 101 45 941.6 wird hierdurch signifikant verändert sowie verbessert und gewinnt durch die Hinzufügung neuer Funktionselemente eine neue höherwertige Qualität, wie auch zu zeigen sein wird. Es muß aber betont werden, das die neue Konzeption auf einem anderen Grundprinzip beruht als DE 101 45 941.6 und ein unabhängiges und eigenständiges Verfahren darstellt.

Bezüglich der Einströmdüse ist festzuhalten, daß unter Wärmeaustausch vergleichbare Effekte wirksam werden, wie in bezug auf den Diffusor beschrieben; in diesem Zusammenhang ist die Nutzung dieser Wirkungen aber nur von untergeortneter Bedeutung, da die Erhöhung des Gesamtdrucks in bezug auf die Einströmdüse nur in speziellen Fällen Vorteile bieten kann.

Die dargelegte strömungs- und wärmetechnische Konzeption beinhaltet zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten und Ausführungsformen, die zunächst prinzipiell und exemplarisch erfaßt werden sollen.

Wie oben bereits ausgeführt, besteht die Grundstruktur der neuen Konzeption aus dem Diffusor und der im Diffusor integrierten Wärmetauschervorrichtung als Hauptelemente und der Einströmdüse als Hilfselement. Wird dieser Struktur eine Turbine vorgeschaltet und beaufschlagt man dieses Strömungssystem mit einem Luftstrom, dessen Ursprung beispielsweise der natürliche Wind oder ein Ventilator sein kann, so entwickelt sich bei einsetzendem Wärmeaustausch ein Strömungsenergieüberschuß, der über die Turbine in soweit abgeschöpft wird, daß sich ein angepaßter, stationärer Strömungszustand einstellt. Im stationären Betrieb bildet sich in den Zonen hinter der Turbine und hinter der Einströmdüse jeweils eine Unterdruckzone gegenüber der Atmosphäre aus. Bindet man in diese Konstellation den Verbrennungskraftprozeß mit ein, so eröffnet sich die Möglichkeit den thermischen Wirkungsgrad dieses Prozesses durch Erhöhung des Druck Verhältnisses signifikant zu verbessern. Zu diesem Zweck muß der Austritt des Prozesses in eine dieser Unterdruckzonen geführt werden.

Die Unterdruckzone hinter der Turbine weist eine geringe Strömungsgeschwindigkeit auf, so daß die Einleitung der Abgase an dieser Stelle unproblematisch ist. In der zweiten Unterdruckzone, dies betrifft den Bereich zwischen Düsenaustritt und Diffusoreintritt , liegt das Unterdruckniveau tiefer und die Strömungsgeschwindigkeit entsprechend höher, so daß aus funktioneilen Gründen anzustreben ist, Luft- und Abgasstrom mit gleichen Richtungs- und Geschwindigkeitskomponenten zusammenzuführen. Gleiche Richtungskomponenten erzielt man beispielsweise durch die konzentrische Anordnung zweier Rohre, bei der das äußere die Verbindung zwischen Einströmdüse und Diffusor herstellt und somit den Luftstrom führt, während das Innenrohr in diesem Bereich an geeigneter Stelle endet und den Abgasstrom freisetzt. Die passende Geschwindigkeit kann beispielsweise mittels den in DE 101 45 941.6 vorgeschlagenen Vorrichtungen des konischen Kühlrohres oder des Turborades eingestellt werden. Bei wechselnder Abgasmenge kann mit einer Querschnittsveränderung im Ausgang des Abgasendrohres, beispielsweise mittels eines im Querschnitt variabel einstellbaren Strömungskörpers, die Austrittsgeschwindigkeit reguliert werden. Eine weitere auch in anderer Hinsicht vorteilhafte Methode ist, dem Abgasstrom eine entsprechend dosierte Luftmenge beizugeben, so daß über das Abgaskanalendrohr immer ein bestimmter Sollwert abfließt.

Die Einhaltung dieses Sollwertes kann auf vorteilhafte Weise diese Verfahrensweise gewährleisten: Die erforderliche Differenzluftmenge wird über eine entsprechende Dosierungsvorrichtung mit der richtig bemessenen Geschwindigkeit als Luftstrahl parallel zum Abgasstrom in das Endrohr geblasen, z.B. in der Weise, daß der Luftstrahl vom Abgasstrom ummantelt wird oder umgekehrt, daß der Luftstrahl das Abgas umschließt; beim Einsatz des oben benannten Turborades wird der Luftstrahl beispielsweise in die Spirale oder den Austrittsstutzen injiziert. Zur Erzeugung des Luftstrahls steht als relativ hohes Energiepotential das Druckgefälle von äußerer Atmosphäre und innerem Unterdruck zur Verfügung. In diesem Zusammenhang sind zwei weitere, vorteilhaft nutzbare Effekte hervorzuheben: Erstens ist der Luftstrahl bei entsprechender Auslegung auch geeignet, dem Abgas durch Mitnahmewirkung die erforderliche Strömungsgeschwindigkeit mitzugeben, so daß gegebenenfalls weitere Maßnahmen, die der Beschleunigung des Abgasstroms dienen sollen, entfallen können. Zweitens besteht die Möglichkeit aufgeheizte Luft beispielsweise unmittelbar aus dem Austrittsbereich des Strömungssystems oder über einen Wärmeaustauscher anzusaugen, um die angestrebte Aufheizung der Diffusorströmung herbeizuführen bzw. zu unterstützen. Diese direkte und damit sehr effektive Methode der Wärmezufuhr verlangt gegebenenfalls wegen des komplexen thermodynamischen und strömungstechnischen Vorgangs zusätzliche konstruktive Maßnahmen.

Die bisherigen Betrachtungen bezogen sich auf eine Funktionseinheit, die aus dem Diffusor und der im Diffusor integrierten Wärmeaustauschervorrichtung als Hauptelemente sowie der vorgeschalteten Einströmdüse als Hilfselement aufgebaut ist und im weiteren kurz als Strömungsmodul bezeichnet wird. Spezielle Berechnungen zeigen, daß sowohl die serielle als auch die parallele und folglich auch die seriell-parallele Anordnung dieser Module prinzipiell möglich ist und darüberhinaus erhebliche Vorteile bieten; bei der Reihenschaltung addieren sich die Drucküberschüsse und bei der Parallelschaltung die Fluten. Bei Strömungs orgängen dieser Art sind physikalisch das "kritische Druck Verhältnis" zu beachten und technisch die Strömunggverluste zu begrenzen; die Beherrschbarkeit dieser Kriterien wird durch den modularen Aufbau wesentlich verbessert. Außerdem erlaubt die Reihenschaltung die Kühlung des strömenden, aufgeheizten Arbeitsmediums zwischen den aufeinanderfolgenden Modulen; diese Maßnahme fördert die Wärmeübertragung im Diffusor durch Erhöhung des Temperaturgefalles . Hiermit wird auch die Möglichkeit eröffnet, Wärme die schon einmal im vorhergehenden Modul oder in den vorhergehenden Modulen auf das Arbeitsmedium übertragen und nicht in Druckenergie umgesetzt wurde, erneut zu nutzen, um beispielsweise am Anfang der Kette, im kühleren Bereich, eingesetzt zu werden; auf diese Weise wird durch Rückführung eine noch bessere Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Wärmepotentiale erzielt. Die Parallelschaltung erlaubt infolge der Verringerung des Strömungsquerschnitts bei der Aufteilung in mehreren Fluten höhere Wärmeübergangskoeffizienten und liefert größere Wärmeübertragungsflächen, fördert also die überragend wichtige Wärmeübertragung. Die beiden Grundschaltungen können prinzipiell zu einem beliebig gestalteten Netzwerk verknüpft werden, so daß insgesamt eine flexible Struktur zur Verfügung steht, um für zahlreiche Anwendungsfälle gerüstet zu sein, auch im Bezug auf die konstruktiven Erfordernisse und die konstruktive Gestaltung.

Die bisherigen Aussagen bezogen sich in erster Linie auf das offene Strömungsystem, in das atmosphärische Luft zu- und abströmt. Das geschlossene Strömungssystem, in dem das Arbeitsmedium in einem hermetisch abgeschlossenen Kreislauf geführt wird, gestattet den Einsatz beispielsweise von Helium als Arbeitsmedium, das aufgrund der physikalischen Eigenschaften für diese Art der Energieumsetzung noch besser geeignet ist als Luft. Die Überführung des Verfahrens in ein geschlossenes System setzt die fortlaufende Regeneration des Arbeitsmediums voraus, damit ein funktionsfähiger Kreislauf zustande kommt; d.h. im statiomären Betrieb muß das Arbeitsmedium vor jedem neuen Umlauf durch Wärmeaustausch auf ein bestimmtes, gleichbleibendes Temperaturniveau gebracht werden. Besondere Vorteile liefert in diesem Zusammenhang der Einsatz der Kältemaschine: Einerseits kann auf diesem Wege die notwendige Regeneration des Arbeitsmediums erfolgen, andererseits besteht die Möglichkeit, die Temperatur des Mediums soweit abzusenken, daß der Temperaturunterschied zur Umgebungstemperatur erlaubt, Umgebungswärme über die Diffusorwarmeaustauscher auf das Medium zu übertragen. Das geschlossene System mit der Kältemaschine als zusätzlicher Komponente und beispielsweise Helium als Arbeitsmittel bietet außerordentliche Möglichkeiten im Hinblick auf die Stromerzeugung, wie auch im weiteren konkretisiert werden wird.

Die aufgezeigten physikalisch-technisc en Grundprinzipien gestatten Abwärme bzw. Wärmeenergiepotentiale ganz allgemeiner Art in mechanische bzw. elektrische Energie zu überführen und bei Einbeziehung der Ver- brennungskraft- aschine in das System, diese mit signifikant größerer Effizienz zu betreiben. Vor diesem Hintergrund ergibt sich ein großes und vielseitiges Anwendungsgebiet, das mit zahlreichen und auf den konkreten Anwen dungsfall zugeschnittenen Varianten zu erschließen ist. Aus der Vielzahl der möglichen Varianten seien exemplarisch einige karakteristische Anwendungsfälle herausgegriffen und hervorgehoben, auch um die zuvor dargelegten Prinzipien und Aspekte im Zusammenhang zu verdeutlichen.

Die Unterdruckvariante und die Verbrennungskraftmaschine: Insgesamt vier der zuvor definierten Strömungsmodule seien zu einem gemeinsamen Strömungskanal in Reihe angeordnet, ergänzt durch eine Turbine im Eintritts bereich des Strömuπgssystems und einem Ventilator im Austrittsbereich. Die jeweiligen Diffusoren der beiden hinter der Turbine angeordneten Strömungsmodule werden mit einem Wärmeaustauscher zur Aufheizung der Dif fusorluftströmung ausgerüstet, analog erhalten die übrigen beiden jeweils einen Wärmeaustauscher zur Abkühlung. Angenommen der Ventilator fördere einen Luftstrom durch das Strömungssystem hindurch, ohne das ein Wärmeaustausch stattfindet und keine Strömungsverluste auftreten, so wird die in den Einströmdüsen aufgenommene kinetische Energie in den Diffusoren wieder aufgezehrt, der Gesamtdruck der Strömung, die Summe aus statischem und dynamischem Druck, ändert sich nicht. Setzt nun der Wärmeaustausch wie vorgesehen ein - die zu übertragende Wärme stamme bezüglich der ersten Stufe vom Kühlsystem und bezüglich der zweiten Stufe vom Abgassystem der einbezogenen Verbrennungskraftmaschine und die Wärmeabfuhr bezüglich der letzten beiden Stufen übernehme beispielsweise die äußere Umgebungsluft - entwickelt sich in den Diffusoren ein höherer Gesamtdruck als in den jeweils vorgeschalteten Einströmdüsen. Dieser Drucküberschuß bzw. Energieüberschuß, der sich über die vier vorgesehenen Stufen aufsummiert, wird über die vorgeschaltete Turbine in der Weise abgeschöpft, daß sich ein obtimaler, stationärer Strömungszustand einstellt und die Wirkung des Ventilators auf zusätzliche Regelungsfunktionen beschränkt bleiben kann. Die Unterdruckzonen, mit deren Wirkung die parallel betriebene Verbrennungskraftmaschine zum Zwecke der Effizienzverbesserung in das System einbezogen wird, liegen im Bereich des ersten Strömungsmoduls und zwar entweder vor der Einströmdüse oder im Verbindungsstück zwischen Düse und Diffusor; der Aufbau und die Wirkungsweise dieser Konzeption wurde bereits anfangs bei der generellen Behandlung der einzelnen Funktionen beschrieben. Wie der Aufbau vorgibt, arbeiten die ersten beiden Stufen bzw. Module mit Wärmezufuhr, die letzten beiden mit Wärmeabfuhr bezogen auf die Diffusorströmung . Diese Konstellation bietet den Vorteil, daß die in einem ersten Schritt aufgenommene Wärme in einem zweiten wieder abgebaut wird - natürlich ohne den Anteil, der über die Turbine abgeschöpft wird und ohne den Anteil der in der Strömung verbleibt; beide Prinzipien, das der Wärmezufuhr und das der Wärmeabfuhr, kommen somit im Verbund zur Anwendung und es kommt zu einer entsprechend höheren Ausnutzung der aufgenommenen Wärme.

In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß zu unterscheiden ist zwischen der Hauptfunktion des Strömungssystems, nämlich Wärme in mechanische bzw. elektrische Energie umzusetzen, und der Unterdruckerzeugung bezüglich des Verbrennungskraftprozesses als Unterfunktion. Bei dieser Ausführungsvarianten kommen beide Wirkungsmechanismen zur Anwendung, einerseits in Form der Energierückgewinnung bezüglich der von der Verbreπnungs- kraft aschine verursachten Wärmeverluste und andererseits durch die Nutzung des Unterdruckeffektes -daher die Bezeichnung "Unterdruckvariante"- zur

Wirkungsgradverbesserung des Verbrennungskraftprozesses -dies betrifft insbesondere den Kolbenverbrennungsmotor, die Abgasturbine in Verbindung mit dem Verbrennungsmotor und die Gasturbine-; insgesamt erhält man einen entsprechend hohen Ausnutzungsgrad der eingesetzten Primärenergie. Einsatzgebiet dieser Ausführung ist beispielsweise der KFZ-Hybridantrieb mit Verbrennungsmotor und Elektromotor als Antriebsquellen; die elektrische Antriebsenergie stammt einerseits vom Turbogenerator, der dem Strömungssystem zugeortnet ist und die Abwärme des Verbrennungsmotors verarbeitet und andererseits vom Abgasturbogenerator, der dem Verbrennungsmotor zugeortnet ist und das durch den Unterdruckeffekt erhöhte Abgasdruckenergiepotential nutzt. Der Fahrtwind kann in diesem Fall zur Beaufschlagung des Strömungssystems mit der erforderlichen Luftströmung herangezogen werden.

Die Überdruck Variante und das Abwärmepotential: Bei der vorhergehenden Varianten steht die Optimierung des Verbrennuπgskraftprozesses selbst unter Nutzung des Unterdruckeffekts mit im Mittelpunkt der Betrachtung. Wird auf die Nutzung des Unterdruckeffekts aus bestimmten Gründen verzichtet und soll die Hauptfunktion des Strömungssystems allein zum Einsatz kommen, kann beispielsweise die folgende Variante Anwendung finden: Gegenüber dem Aufbau der zuvor behandelten Unterdruck Varianten verschiebt sich der Einbauort der Turbine innerhalb des Strömungssystems von vorn in die Mitte zwischen die Sektionen für Wärmezufuhr und die für Wärmeabfuhr. Das auf die Hauptfunktion eingerichtete Strömungssystem entwickelt -unter ansonsten gleichen Bedingungen wie zuvor- im stationären Betrieb auf der Eintrittsseite der Turbine einen Überdruck -daher die Bezeichnung "ÜberdruckVariante "- und austrittssei-tig einen Unterdruck, bezogen auf die Atmosphäre. Diese Anordnung besitzt den Vorteil, daß die Eintrittsseite der Turbine die höchste Temperatur im ganzen Strömungssystem aufweist und die Ausbeute der Turbine entsprechend höher ausfällt.

Unter den zahlreichen Ausführungsmöglichkeiten, die man unter dem Oberbegriff "Überdruck Variante" zusammenfassen kann, sei exemplarisch noch diese Verfahrensweise herausgegriffen: Insgesamt drei der oben definierten Strömungsmodule bzw. Modulgruppen seien zusammen mit einer Turbine, einem Wärmeaustauscher und einem Ventilator -in dieser Reihenfolge und in Strömungsrichtung gesehen- zu einem Strömungskanal angeordnet. Wie aus dem Aufbau hervorgeht, sind insgesamt drei Sektoren für die Wärmeübertragung auf die jeweilige Diffusorströmung vorgesehen. Zur Verfügung stehen zwei Abwärmepotentiale unterschiedlicher Temperatur, von denen im zweiten Sektor das kühlere und im dritten Sektor das wärmere Potential zur Wärmeübertragung eingesetzt sei. Die übertragene Wärmemenge wird zum Teil in der Turbine abgebaut und in mechanische bzw. elektrische Energie umgesetzt. Der größere Teil strömt mit dem Luftstrom durch den Wärmeaustauscher, wird dort möglichst weitgehend ausgekoppelt und steht dann für die Wärmeübertragung im ersten Sektor zur Verfügung. Im Prinzip kann dieser Rückkopplungmechanismus beliebig oft angewendet werden und der Ausnutzungsgrad der von außen zugeführten Wärme entsprechend gesteigert werden; einzig und allein der höher werdende Aufwand setzt hier Grenzen.

Das geschlossene Strömungssystem und die Kältemaschine: In einen hermetisch geschlossenen Strömungskanal zirkuliere von einem Ventilator angetrieben ein geeignetes, gasförmiges Arbeitsmedium, z.B. Helium. Auf einem geschlossenen Weg durchströmt das Helium nacheinander eine Gruppe parallel angeortπeter Strömungsmodule, deren Dimensionierung und Anzahl nach wärmeübertragungs- und strö ungstechπischen Kriterien bestimmt wurde, eine Turbine mit angekoppeltem Generator sowie einen Wärmeaustauscher, der als Kühler ausgelegt und mit dem Verdampfer der Kältemaschine wärmetechnisch gekoppelt ist; an geeigneter Stelle kann als Sicherheits- und Steuerelement eine Drosselklappe vorgesehen werden. Die Außenwände der Diffusoren seien von einem im Kreislauf geführten, flüssigen Wärmeträger, z.B. Wasser, umspühlt; eine geeignete Abschottung sorgt für die entsprechende Wasserführung. Zweckmäßig ist eine senkrechte Anordnung der Baugruppe, so daß das Wasser durch die eigene Schwerkraft in gleichmäßiger Verteilung an den Außenwänden der Diffusoren herabfließt und eine gleichmäßige Wärmeübertragung gewährleistet ist. Bei einsetzender Kühlwirkung der Kältemaschine entwickelt sich ein Temperaturgefälle zwischen Wasser und Helium; beide Medien sind durch die Wandungen der Diffusoren getrennt. Der Diffusorströmung wird Wärme zugeführt und der hierdurch hervorgerufene Druckenergieüberschuß wird über die Turbine abgeschöpft und im Generator in elektrische Energie umgesetzt. Die im Diffusor aufgenommene Wärmemenge gibt das Helium einerseits über die Turbine und andererseits über den Verdampfer wieder ab, so daß im stationären Betrieb unter gleichen Anfangsbedingungen ein neuer Kreislauf beginnen kann. Der Wärmeträger beschreibt bei dieser Ausführung ebenfalls einen Kreislauf: Das im Diffusorwarmeaustauscher geringfügig abgekühlte Wasser nimmt im weiteren Verlauf über den Kondensator der Kältemaschine die Wärmemenge auf, die der Verdampfer der Kältemaschine dem Helium entzogen hat und zusätzlich die Wärmemenge, die bei der Kompression des Kältemittels anfällt. Der Kompressor werde bei dieser Ausführung von einem Gasmotor angetrieben, dessen Abwärme für die weitere Erwärmung des Wassers zur Verfügung steht. Der auf diese Weise regenerierte Wärmeträger wird erneut dem Diffusorwarmeaustauscher zugeführt; den Kreislauf hält ein geeignetes Pumpensystem in Gang. Ein stabiler, stationärer Betriebszustand dieses Systems ist dann gegeben, wenn die Energiemenge, die dem System über die Turbine und über Verluste entzogen wird, durch eine äquivalente Wärmemenge -in diesem Fall dem Äquivalent der vom Gasmotor aufgenommenen Energie- ersetzt wird. Ziel dieser Variante ist, die dem System über den Kompressorantrieb der Kältemaschine zugeführte Primärenergie weitgehend in elektrische Energie umzusetzen; dieser Zielsetzung näher zu kommen, ist beispielsweise diese Verfahrensweise geeignet, auch in steuerungs- bzw. regelungstechnischer Hinsicht: Der Gasmotorantrieb des Kompressors sei durch einen Elektromotor, beispielsweise einer frequenzgeregelten Asynchronmaschine, ergänzt, d.h. beide Maschinen arbeiten im Verbund. Bei dieser Antriebskonfiguration erfährt der Gasmotor eine unterschiedliche Belastung, je nachdem ob die ASM im Motoroder Generatorbetrieb arbeitet, obwo l die Belastung seitens des Kompressors konstant bleibt. Die unterschiedliche Beanspruchung des Gasmotors zieht eine entsprechende Änderung der Abwärmeproduktion nach sich. Da die Abwärme bei dieser Ausführung die Hauptwärmequelle des Systems bildet, kann auf diese Weise die Wärmezufuhr zielgerichtet vorgenommen werden. Außerdem besteht auf seiten der Kältemaschine die Möglichkeit durch Veränderung der Kompressordrehzahl im Verbund mit der Drosselventilregelung die Temperaturniveaus von Kondensator und Verdampfer gezielt vorzugeben und somit auch die Temperaturdifferenz zwischen diesen beiden Niveaus zu bestimmen; die Temperaturdifferenz ist ein entscheidender Faktor für das Maß der Wärmeübertragung und somit bietet auch die Kältemaschine eine effektive Eingriffsmöglichkeit, das System in den stationären Betriebszustand zu führen . Es ist aber festzuhalten, daß bei richtiger Auslegung der Einzelkomponenten auf aufwendige Regelungstechnik verzichtet und die Anlage in der Hauptsache, gegebenenfalls mit Ausnahme einiger Unterfunktionen, gesteuert gefahren werden kann. Vorteilhaft ist, die Temperatur des Wärmeträgers auf oder geringfügig unter dem Niveau der Umgebung zu fahren; auf diese Weise ist sicher gestellt, daß WärmeVerluste an die Umgebung minimiert werden oder ganz ausgeschlossen sind. Bei dieser Ausführung setzt sich die über die Diffusorwarmeaustauscher zu übertragende Wärme aus der vom Kondensator der Kältemaschine abgegebenen Wärme und der Abwärme des Gasmotors zusammen. Verbrennungskraftmaschinen werden normalerweise mit Kühlmitteltemperaturen betrieben, die erheblich über der Umgebungstemperatur liegen; unter diesen Bedingungen ist es gegebenenfalls vorteilhaft eine Reihenschaltung von zwei Strömungsmodulen bzw. Modulgruppen vorzusehen, um in der ersten Sektion die Kondensatorwärme und in der zweiten Sektion die Abwärme des Gasmotors getrennt einzusetzen; auf diese Weise kann die höher temperierte bzw. höher wertige Wärme wirkungsvoller eingesetzt werden. Gleiches gilt für den Fall, daß der Kompressorantrieb komplett über einen Elektromotor erfolgt und die Wärme über eine Brenneranlage erzeugt wird; die Anlagenstruktur erfährt in diesem Fall eine Vereinfachung, allerdings fällt die Nennleistung um einen dem Leistungsbedarf des Kompressorantriebs entsprechenden Betrag geringer aus. Im übrigen kann anstelle des Gasmotors eine Gasturbine und statt der Kompressions- eine

Absorbtionskältemaschine zum Einsatz kommen. Anlagen diesen Typs sind in der Lage, die eingesetzte Primärenergie zu einen sehr hohen Anteil in elektrische Energie umzusetzen und sind besonders geeignet für die dezentrale Stromversorgung in der Größenordnung kleinerer und mittlerer Blöcke.

Die Einbeziehung der Kältemaschine in den hier vorgeschlagenen Energieumwandlungsprozeß, zieht weitere Varianten nach sich, von denen exemplarisch noch eine, ökologisch saubere Variante hervorgehoben werden soll. Angenommen sei, daß beispielsweise Wasser aus einem nahe gelegenen Fluß über eine Rohrleitung herangeführt und unmittelbar durch den Diffusorwarmeaustauscher der Anlage geleitet wird, um -wie oben beschrieben- Wärme an das Helium abzugeben; anschließend nimmt das Wasser die Kondensationsund Kompressionswärme des Kältemittels, welches in der Kältemaschine zirkuliert, auf und wird gegenüber dem Anfangszustand geringfügig abgekühlt in das Gewässer zurückgeführt. Gegebenenfalls kann die dem Flußwasser zu entziehende Wärme auch über einen Wärmeaustauscher in den dann geschlossenen Wärmeträgerkreislauf eingekoppelt werden. Als Kompressorantrieb ist hier ein Elektromotor zweckmäßig, da unmittelbar regenerativ erzeugte elektrische Energie durch die Anlage selbst zur Verfügung steht. Das zur Anwendung kommende Kältemittel sollte hohe Verdampfungswärme mit im gasförmigen Zustand verhältnismäßig kleiner spezifischen Wärmekapazität verbinden -beispielsweise sind hier Ammoniak bzw. Ammoniak — asser-Gemische sowie für den gegebenen Temperaturbereich besonders geeignete, moderne Kältemittel zu nennen-, damit der Kompressorenergieaufwand möglichst gering im Verhältnis zur erzeugten elektrischen Energie ausfällt und deren Ausbeute nicht mehr als nötig schmälert. Auf diese und vergleichbare Weise kann hochwertige elektrische Ener-gie geerntet werden und Umweltenergiepotentiale in ihrer ganzen Vielfalt genutzt werden. Anlagen dieser Art, beispielsweise als mittelgroße Blöcke ausgeführt, eignen sich besonders für die dezentrale Stromversorgung und wegen der regenerativen Methode im Hinblick auf die Zukunft zur* Wasserstoffgewinnung ; kleinere Blöcke mit Grundwassernutzung sind für die Gebäudeenergieversorgung vorteilhaft einzusetzen.

Die Unterdruckvariante und die Windenergie: Eine ökologisch blitzsaubere Methode der elektrischen Energiegewinnung stellt der folgende Entwurf dar: Eine auf diesen Anwendungsfall zugeschnittene Ausführung des Strömungssystems sei dem natürlichen Wind -im Gegensatz zum Windrad sind hier auch stürmische Winde verwertbar- in der Weise ausgesetzt, daß die Längsachse in Windrichtung weist. Der Wind hat hier zwei Funktionen: Einerseits sorgt er für die Beaufschlagung des Systems mit dem erforderlichen, inneren Luftstrom und andererseits führt er außerhalb die Wärme heran, die aufgrund des Temperaturgefälles durch die Diffusorwandung von außen nach innen fließt, und transportiert die Wärme ab, die aufgrund des umgekehrten Gefälles von innen nach außen übertragen wird. Das unterschiedliche Temperaturgefälle kommt zustande, weil die Temperaturentwicklung der strömenden, sich verdichtenden Luft innerhalb des Diffusors anfangs unterhalb und zum Ende hin oberhalb der Umgebungstemperatur liegt; es ist also sowohl das Prinzip der Wärmezufuhr als auch das der Wärmeabfuhr wirksam. Zweckmäßigerweise wird der Strömungsenergieüberschuß im Eingangsbereich des Strömungssystems von der Turbine abgegriffen; der Druckverlust in der Turbine senkt das Niveau des statischen Druckes sowie der Temperatur und begünstigt auf diese Weise die Bedingungen für die Wärmezufuhr. Das Anfahren der Anlage kann durch einen drosselklappengeregelten Bypass, der die Turbine überbrückt, unterstützt werden. Auch in diesem Fall ist der modulare Aufbau des Strömungssystems vorteilhaft. Diese Variante kann als Alternative zum Windrad aufgefaßt werden .

Claims

Patentansprüche

I.Erzeugung mechanischer bzw. elektrischer Energie unter

Nutzung beliebiger Wärmepotentiale mittels eines

Strömungssystems, das mit einem strömenden, kompressiblen

Medium beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Haupt konstruktionsmerkmale von einem Diffusor und einer in den Diffusor integrierten Wärmeaustauscher-- vorrichtung gebildet werden -diese beiden Komponenten und die vorgeschaltete Einströmdüse bilden das so bezeichnete

Strömungsmodul-, daß das strömende, sich verdichtende Medium über die

Diffusorwarmeaustauscher aufgeheizt bzw. abgekühlt und auf diese Weise ein Strömungsenergieüberschuß erzeugt wird, daß der Strömungsenergieüberschuß über eine an geeigneter

Stelle integrierten Turbine bzw. einen Turbogenerator abgeschöpft wird, daß der Strömungsenergieüberschuß entweder mit einem einzelnen Strömungsmodul oder einer Reihenschaltung oder einer Parallelschaltung oder einer Kombination aus Reihen- und Parallelschaltung einer beliebigen Anzahl von

Strömungsmodulen erzeugt wird, daß die Wärme, die über die Diffusorw rmeaustauscher der einzelnen Strömungsmodule auf das strömende, sich verdichtende Medium übertragen wird, einer beliebigen

Wärmequelle bzw. unterschiedlichen Wärmequellen entstammen kann , daß Wärme durch Rückkopplung aus Strömungszonen höherer

Temperatur, insbesondere aus dem Austrittsbereich des

Strömungssystems, in Zonen niederer Temperatur zurückgeführt werden kann.

2. Erzeugung mechan. bzw. elektr. Energie nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine, die den Strömungsenergieüberschuß abschöpft, im Eintrittsbereich des Strömungssystems angeordnet ist und der Austritt des einbezogenen Verbrennungskraftprozesses in der Zone zwischen Turbinenausgang und der Einströmdüse des ersten Strömungsmoduls mündet.

3. Erzeugung mechan. bzw. elektr. Energie nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine, die den Strömungsenergieüberschu ß abschöpft, im Eintrittsbereich des Strömungssystems angeordnet ist und der Austritt des einbezogenen Verbrennungskraftprozesses in der Zone zwischen Einströmdüse und Diffusor des ersten Strömungsmoduls mündet, wobei dem Abgas über die Dosierungsvorrichtung eine entsprechende Luftmenge als Luftstrahl beigegeben wird, so daß der Abgasstrom mit einer den Strömungsverhältnissen an der Einmündungsstelle angepaßten Geschwindingkeit in die Unterdruckzone einmündet.

4. Erzeugung mechan. bzw. elektr. Energie nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß der Einbauort der Turbine im Strömungssystem zwischen einer Sektion für Wärmezufuhr und einer Sektion für Wärmeabfuhr angesiedelt ist.

5. Erzeugung mechan. bzw. elektr. Energie nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungssystem in geschlossener Bauweise , mit beispielsweise Helium als Arbeitmedium, ausgeführt ist, die Turbine im Anschluß an eine Sektion von Strömungs modulen , die für Wärmezufuhr ausgelegt sind, angeordnet ist und die Regeneration des Mediums über einen Kühler, der die Abwärme beispielsweise an die Umgebung abgibt, erfolgt.

6. Erzeugung mechan. bzw. elektr. Energie nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungssystem in geschlossener Bauweise , mit beispielsweise Helium als Arbeitsmedium, ausgeführt ist, die Turbine im Anschluß an eine Sektion von Strömungs modulen , die für Wärmezufuhr ausgelegt sind, angeordnet ist und die Regeneration des Mediums über eine Kältemaschine erfolgt, deren Kondensationswärme erneut durch Rückkopplung in den Energieu setzungsprozeß eingeführt wird.

7. Erzeugung mechan. bzw. elektr. Energie nach Anspruch 1. und 6., dadurch gekennzeichnet, daß die Kältemaschine als Kompressoranlage ausgeführt ist, deren Kompressorantrieb beispielsweise von einem Gasmotor oder einer Kombination von Gasmotor und Elektromotor gebildet wird, und die dem System von außen zuzuführende Energie über die Energieaufnahme des Gasmotors gedeckt wird.

8. Erzeugung mechan. bzw. elektr. Energie nach Anspruch 1. und 6., dadurch gekennzeichnet, daß die Kältemaschine als Kompressoranlage ausgeführt ist, deren Kompressorantrieb von einem Elektromotor gebildet wird, und die dem System von außen zuzuführende Energie über eine Brenneranlage gedeckt wird.

9. Erzeugung mechan. bzw. elektr. Energie nach Anspruch 1. und 6., dadurch gekennzeichnet, daß die Kältemaschine als Kompressoranlage ausgeführt ist, deren Kompressorantrieb von einem Elektromotor gebildet wird, und die dem System von außen zuzuführende Energie durch Umgebungswärme, beispielsweise durch das Wasser eines nahe gelegenen Flusses oder durch Grundwasser, gedeckt wird.

10. Erzeugung mechan. bzw. elektr. Energie nach Anspruch 1. und 6., dadurch gekennzeichnet, daß die Kältemaschine als Absorbtionsa nlage ausgeführt ist, und die dem System von außen zuzuführende Energie über die Energieaufnahme der Absorbtionskältemaschine gedeckt wird.

11. Erzeugung mechan. bzw. elektr. Energie nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß der natürliche Wind für die Beaufschlagung des Strömungssystems mit einem Luftstrom im Innern sowie für die Wärmezufuhr bzw. Wärmeabfuhr bezüglich der Diffusorströmung von außen her genutzt wird, und die Turbine im Eingangsbereich des Strömungssystems angeordnet ist.