EP1714009A1 - Method and installation for converting thermal energy from fluids into mechanical energy - Google Patents

Method and installation for converting thermal energy from fluids into mechanical energy

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Publication number
EP1714009A1
EP1714009A1 EP05716660A EP05716660A EP1714009A1 EP 1714009 A1 EP1714009 A1 EP 1714009A1 EP 05716660 A EP05716660 A EP 05716660A EP 05716660 A EP05716660 A EP 05716660A EP 1714009 A1 EP1714009 A1 EP 1714009A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
component
energy
working medium
heat
low
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05716660A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Erwin Oser
Michael Rannow
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ecoenergy Patent GmbH
Original Assignee
Oser Erwin
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 Oser Erwin filed Critical Oser Erwin
Publication of EP1714009A1 publication Critical patent/EP1714009A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01KSTEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/06Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using mixtures of different fluids
    • F01K25/065Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using mixtures of different fluids with an absorption fluid remaining at least partly in the liquid state, e.g. water for ammonia
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01KSTEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/06Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using mixtures of different fluids

Definitions

  • the invention relates to a method for converting thermal energy, which is contained in fluids, for example, as tangible or latent heat, into mechanical energy, in which a working fluid is evaporated in an evaporator, which is expanded in a relaxation device, thermal energy at least partially into mechanical energy is converted. Furthermore, the invention relates to a system for converting thermal energy from fluids into mechanical energy. .
  • a large number of devices and methods for obtaining mechanical energy are known from the prior art. For example, thermal power plants are known in which a working medium, for example water vapor, isobarically heated to the boiling point in a boiler, evaporated and then overheated in a superheater.
  • a further feature of the known relaxation processes for converting thermal energy into mechanical energy is that the condensation waste heat which arises during the condensation of the working medium, due to the process itself, disadvantageously arises as heat loss for the relaxation process, as a result of which the degree of whirling is negatively influenced.
  • the invention has for its object to provide a method and an apparatus for converting thermal energy into mechanical energy, which avoid the disadvantages mentioned, and an improved efficiency, especially at temperature and pressure levels which, for example, approximately correspond to the natural environmental conditions , exhibit.
  • a method for converting thermal energy from a fluid into mechanical energy by expanding a vaporous working medium in a expansion device connected to an evaporator in which thermal energy evaporates a working medium by heat exchange in an evaporator and / or thermal energy by means of at least one or more successively connected heat pumps are transformed to a higher temperature level in order to evaporate the working fluid in the evaporator by heat exchange, the vaporous working fluid being a vaporous mixture formed from at least two components and being expanded in a low-pressure expansion device, the pressure being released during the expansion Energy of the working fluid is partially converted into mechanical energy, and at least one second vaporous component experiences a temperature increase after the low-pressure expansion energy and at least one first component of the working fluid is withdrawn, so that the energy contained in the relaxed, vaporous, temperature-raised second component / s of the working fluid can be returned to the
  • Thermal energy which vaporizes a working fluid through heat exchange in an evaporator, can be made available, for example, by at least one energy source / s which has a good efficiency.
  • An energy source / s with high efficiency can, for example, be selected from the group comprising heat pumps / fuel cells / n and / or solar system / s.
  • Solar systems in the sense of the invention can also include solar collectors.
  • At least part of the energy required preferably all of the energy required to raise the temperature of the second component / s after the low-pressure relaxation can be obtained through the energy released during absorption and / or adsorption.
  • absorption "nd" absorbed in the sense of this invention have the meaning of” absorbed absorption and / or adsorption "or” and / or adsorbed.
  • the term “relaxation” means an increase in volume associated with a reduction in pressure.
  • the thermal energy that is present in a fluid in the form of sensible or latent heat of one or more components if necessary after a transformation to a higher temperature level by means of one or more heat pumps arranged in series in an evaporator is evaporated that the expansion takes place in a low-pressure expansion device and the energy contained in the expanded vaporous working medium can be returned to the evaporator, which energy can be used to evaporate additional working medium.
  • the method preferably has a first component of the working medium, which is formed by a mixture, is absorbed in and / or after the low-pressure expansion device by means of an absorbent, heat being transferred to the second component remaining in vapor form.
  • the intermediate heat pump process for transforming the temperature level of the work medium to be relaxed can be implemented with different embodiments of heat pumps, as described below.
  • the energy transformation for the temperature increase is also carried out with several heat pump processes connected in series.
  • An essential feature of the method according to the invention is the expansion of the working medium in a low-pressure expansion device, the energy contained in the expanded vaporous working medium being able to be returned to the evaporator and being used for the evaporation of additional working medium.
  • the working medium to be relaxed is formed by a mixture, and the method preferably has at least a first component of the working medium which is absorbed in and / or after the low-pressure expansion device by means of an absorbent and / or is adsorbed by means of an adsorbent, thermal energy the remaining vaporous second component / s passes over, which is recyclable.
  • the working fluid is preferably as an azeotropic mixture or as a ⁇ mixture having a boiling point lowering, based on the boiling point of the component with the highest boiling point, before, wherein working means are preferably in the form of mixtures having a boiling point lowering of at least, preferably ° C of at least 10 ° C , more preferably at least 15 ° C, even more preferably at least 20 ° C and most preferably at least 25 ° C, based on the boiling point of the component with the highest boiling point.
  • the working medium mixture is an azeotrope with a minimum boiling point for a certain mixing ratio of the components.
  • the evaporation temperatures can be reduced, depending on the type, so that they are below the condensation temperatures of the individual components. If the first component is absorbed from the vapor mixture adiabatically beers, the corresponding heat is transferred to the second component remaining in vapor form. The heat of condensation can thus be withdrawn at an elevated temperature level.
  • the second vaporous component can be condensed in the evaporator of the working medium itself, giving off the heat of condensation, so that the corresponding proportion of the thermal energy can be fed back into the process.
  • Azeotropic mixtures suitable for use in accordance with the invention can be selected from the group comprising pyridine / water, water / ethanol, water / ethyl acetate, water / dioxane, water / carbon tetrachloride, water benzene, water / toluene, ethanol / ethyl acylate, ethanol / benzene, ethanol / Chloroform, ethanol / carbon tetrachloride, ethyl acetate / carbon tetrachloride, methanol / carbon tetrachloride, methanol / / benzene, chloroform / acetone, toluene acetic acid, acetone-carbon disulfide and / or water / silicone.
  • Suitable azeotropic mixtures which can likewise be used according to the invention can also be multi-component systems, i.e. these azeotropic mixtures comprise at least three components, or at least four components. Basically, all azeotropic mixtures known in the literature, to which reference is made in their entirety in this connection, can be used insofar as they are suitable according to the invention.
  • the first component to be absorbed is water, for example an alkaline silicate solution can be used as the absorbent.
  • Absorbents and / or adsorbents which can be suitably used according to the invention can be selected from the group comprising zeolites, silicates, inorganic acids, in particular phosphoric acid, halogen acids, sulfuric acid, silicic acid, organic acids, inorganic salts and / or organic salts.
  • Suitable salts are alkali and / or alkaline earth salts, in particular their halogen salts, such as Li Br, LiCl, MgC] 2 and the like.
  • absorbents and / or adsorbents are suitable as absorbents and / or adsorbents.
  • the absorption agents / adsorbents can be easily separated from the second component (s) of the working medium after taking up a first component (s) of the working medium.
  • the absorbent / adsorbent for receiving at least a first component (s) of the working fluid can advantageously be chosen such that the overall efficiency of the system according to the invention for converting thermal energy from fluids into mechanical energy at an initial fluid temperature of 25 ° C. is determined over 24 hours inclusive which is preferably still> 40% for separating the first component / s from the absorbent / adsorbent.
  • the working medium for low-pressure relaxation for example an azeotropic mixture of water and perchlorethylene
  • the absorption in which, according to the invention, the heat of absorption is transferred to the second component remaining in vapor form, as a result of which this component heats up to a temperature level above the boiling point of the azeotropic mixture, can take place in and / or after the relaxation device.
  • the relaxation of the azeotropic mixture can convert thermal energy into mechanical energy and with the help of a generator into electrical energy, and at the same time the relaxed work equipment, which has already done "work” in the relaxation process, through the separation (Absorption) of the first from the second component heats up due to the released heat of absorption, whereby the remaining working medium can be returned after the expansion, for example to give off its heat in a heat exchanger.
  • the remaining Working medium only second component
  • evaporator in which the remaining working medium condenses and, due to the heat of condensation, the liquid working medium evaporates with the first and second components and then back into the En t tensioning device is guided.
  • the efficiency of the method for converting thermal energy into mechanical energy can be significantly improved.
  • the working medium for the low-pressure expansion is preferably formed by an azeotropic mixture with a boiling point minimum or an almost azeotropic mixture.
  • the invention is described below with an azeotropic mixture; of course, the invention can also be applied to almost azeotropic mixtures or to non-azeotropic mixtures. High efficiencies can be achieved particularly with an azeotropic or an almost azeotropic mixture.
  • their evaporation temperatures can be reduced so that they are below the evaporation temperatures of the individual components.
  • the working medium has a low volume-specific or low molar enthalpy of vaporization. This ensures that a large amount of motive steam is generated with a predetermined amount of thermal energy.
  • At least one component of the working medium can preferably have a boiling point in the range from 20 ° C. to 250 ° C., preferably from 40 ° C. to 200 ° C., preferably from 60 ° C. to 150 ° C., still preferably from 80 ° C - 120 ° C, and most preferably 90 ° C - 100 ° C.
  • At least one component of the working medium can preferably have a molar heat of vaporization in the range from 5? KJ / mol-15 KJ / mol, preferably from 6 KJ / mol-14 KJ / mol, preferably from 7 KJ / mol. 13 KJ / mol, more preferably from 8 KJ / mol - 12 KJ / mol and most preferably from 9 KJ / mol - 10 KJ / mol.
  • At least one component of the working medium preferably the second component, can preferably have a low specific heat capacity [cp] of ⁇ 1.2 J / g, preferably of 0.4 J / g-1 J / g, preferably of 0.5 J / g - 0.9 J / g, and most preferably from 0.6 J / g - 0.8 J / g.
  • the working medium is preferably a solvent mixture which has organic and / or inorganic solvent components.
  • examples of this are mixtures of water and silicones. Silicones and / or derivatives thereof which can preferably be used according to the invention can have a boiling point in the range from 20 ° C. to 250 ° C., preferably from 40 ° C. to 200 ° C., preferably from 60 ° C. to 150 ° C., still preferably from 80 ° C. 120 ° C and most preferably from 90 ° C - 100 ° C.
  • Silicones and / or derivatives thereof which can preferably be used according to the invention can have a molar heat of vaporization in the range from 5 ?? KJ / mol-15 KJ / mol, preferably from 6 KJ / mol-14 KJ / mol, preferably from 7 KJ / mol-13 KJ / mol , more preferably from 8 KJ / mol - 12 KJ / mol and most preferably from 9 KJ / mol - 10? KJ / mol.
  • Silicones and / or derivatives thereof which can preferably be used according to the invention can have a low specific heat capacity [cp] of ⁇ 1.2 J / g, preferably 0.4 J / g-1 J / g, preferably 0.5 J / g-0 , 9 J / g, and most preferably from 0.6 J / g - 0.8 J / g.
  • the working fluid can have a mixture of water and at least one or more silicones.
  • a mixing ratio of water to silicone / s is preferred from 1: 100 to 1: 2, more preferably from 1:50, even more preferably from 1:25, further preferably from 1:15 and most preferably from 1: 8 to 1: 10th
  • At least one component can advantageously be a protic solvent.
  • the absorbent is a reversible immobilizable solvent, which is the first component of the working medium in the non-immobilized state.
  • the reversible solvent in the boiling working medium can advantageously change due to physico-chemical changes in that it does not immobilize due to ionization or complex formation from the vapor phase State can be changed to the reversibly immobilized state and acts in the non-immobilized form as an absorbent for the work equipment.
  • the vaporous working medium already contains the absorption medium (in the non-immobilized state) before the expansion.
  • the reversibly immobilized solvent is in a vaporous state and changes to the liquid state due to physical-chemical changes - such as pH shift, change in mole fraction and temperature in its volatility and / or vapor pressure (comparable to steam as a solvent in non-immobilized form and water as a reversibly immobilizable solvent).
  • the advantage here is that the working fluid consists of two components, with one component simultaneously acting as an absorbent for the other component in the reversibly immobilized state.
  • Cyclic nitrogen compounds such as pyridines, for example, can be used as pH-dependent, reversibly immobilizable solvents.
  • the absorption of the first component can already take place, for example, in the low-pressure expansion device.
  • an absorption device for example as a scrubber
  • the reversibly immobilizable solvent can be ionized in the absorption device by electrolysis or by adding electrolytes, as a result of which the immobilized solvent forms from the working medium as an absorbent.
  • the vapors of the working fluid flowing through the absorbent are also ionized, so that the vapor pressure is lowered so that the vapor of the reversible immobilizable component is deposited in the working fluid.
  • the azeotropic working medium is thus passed through the absorbent which absorbs the first component, the released absorption energy being transferred to the vaporous remaining second component.
  • the absorbent can then be fed back into the evaporator where it becomes, for example, by deionization in a non-ionic state and is evaporated again with the condensed phase of the remaining second component as an azeotropic mixture.
  • absorption systems can also include compressors and pumps that have a sufficient amount of operating fluid, such as Roots pumps with injection, screw compressors, liquid ring pumps or liquid jet pumps.
  • compressors and pumps that have a sufficient amount of operating fluid, such as Roots pumps with injection, screw compressors, liquid ring pumps or liquid jet pumps.
  • the molar ratio of the working medium is expediently chosen such that the pressure in the expansion decreases more by reducing the number of molecules remaining in the gas phase than the pressure increases by the heating of the remaining gas, so that an otherwise resulting back pressure builds up after the expansion device is avoided.
  • a device used in the mass of the steam is neither nor the pressure ratio, but only the D r uckdifferenz relevant.
  • the low-pressure expansion device is designed as a Roots blower - as a Roots blower - or in the form of oval gear pumps. It is advantageous that the roots blower can work as a relaxation device (relaxation motors) with a pressure difference of 500 mbar with full efficiency and can be used in a closed system at pressures of 10 to 0.5 bar.
  • the Roots blower can be equipped with at least one be designed spray opening through which the absorbent and / or a protic solvent can be introduced into the Roots blower. Pressure-controlled injection is advantageously carried out to prevent liquid damage. Another advantage is that in the relaxation devices mentioned, only the pressure difference and not the mass or the relaxation ratio is decisive for the efficiency
  • the Roots blower expediently has a gas-tight seal between the scoop space and the gear space, in a further embodiment the Roots blower comprising multi-bladed rotors.
  • the Roots blower also has a shaft connected to the generator that can, whereby the mechanical energy can be converted into electrical energy.
  • the use of a Roots color as a low-pressure expansion device opens up the possibility - on the one hand, of supporting the process by injecting absorbent materials, and - especially when using waste heat with a temperature of less than approximately 100 ° C for driving pumps or generators others because of the small pressure and temperature differences to transform the remaining energy in the relaxed vaporous working medium, as described above, back to an elevated temperature level and thus to make it traceable.
  • the roots blower relaxes and does not compress a working medium under pressure.
  • a separating arrangement can be provided which separates the absorbed first component from the absorbent.
  • the separation arrangement can be designed, for example, as a membrane system which is connected downstream of the absorption device.
  • the desorbed liquid, first component is expediently returned to passed the evaporator by evaporating together with the second liquid component as an azeotropic working medium.
  • the absorbent can, for example, be led to the relaxation device, in which it is injected into the relaxing working fluid.
  • the absorbent can be returned to the scrubber, in which the first component is absorbed from the working fluid. Oils can be used as absorption medium, from which the first component of the working medium can be completely expelled again, for example by means of a membrane system.
  • the separation of the first absorbed component in the absorbent can alternatively be carried out by an evaporation process of the absorbed component.
  • the second component remaining after the absorption device, which according to the invention has absorbed heat due to the absorption of the first component despite relaxation is passed into a heat exchanger and condensed.
  • the heat exchanger is preferably an evaporator, in which the first and second components are evaporated as working medium.
  • the working medium is preferably an azeotropic mixture of water and silicone.
  • the water is the first, absorbent component and silicone is the second component.
  • the absorbent is expediently a silicate.
  • the absorbent is advantageously an alkaline, molecularly disperse silicate solution, the water absorbed in the alkaline silicate solution being desorbed, for example, by heating.
  • a system for converting thermal energy into mechanical energy which comprises the following components: a) an evaporator unit in which a working medium which is formed by a mixture can be evaporated, b) a low-pressure expansion device, c) one absorber and / or adsorption device, the expansion device low pressure is integrated in and / or the low-pressure expansion device is connected downstream of, d) a separating device which is designed as a diaphragm system or thermal Austreibersystem ⁇ , in which the absorbed component is separated from the absorbent, and a pump with which the absorption medium is conveyed to the separating device and back to the absorption device, e) at least one energy source which is in contact with the evaporator unit and by means of which heat energy can be generated which is absorbed by a fluid flow in the evaporator
  • the energy source / s can be a heat pump / s, a fuel cell and / or solar system / s.
  • the use of at least one heat pump is preferred in view of the advantageous energy balance.
  • Heat pumps can be used advantageously at low ambient temperatures. Solar systems require a sufficiently high level of solar radiation so that the use of heat pumps can often be preferred in colder regions. Fuel cells can also be used due to their high efficiency.
  • the invention relates to a system with an evaporator, in which a working medium, which is formed by a mixture, preferably an azeotropic mixture, can be evaporated, with a pressure-reducing device, with an absorption device, which is integrated in the low-pressure device is and / or the low-pressure expansion device is connected downstream, wherein in the absorption device a first component of the working medium can be absorbed by an absorption medium and heat can be transferred to the remaining, vaporous second component, which is recyclable
  • the invention relates to a system that additionally includes one or more heat pumps in different embodiments.
  • the temperature of the working medium is increased by mechanical compression and on the other hand the temperature of the working medium is additionally in the compressor through a heat exchange with an operating medium that is in direct contact with the working medium, and / or on the other hand, additionally increased by means of an operating medium which acts as an absorption medium, the absorption medium absorbing a first component of the operating medium, which is formed by a mixture, in and / or after the compressor, heat being transferred to the remaining, vaporous second component.
  • the efficiency, in particular for heat pumps can be significantly improved by the method according to the invention.
  • the compressor is preferably designed as a liquid-superimposed compressor.
  • this can be a liquid ring pump or a liquid-superimposed screw compressor. It is particularly advantageous that these liquid-superimposed compressors can be operated with high-boiling equipment. Since the operating medium in the liquid-superimposed compressors does not perform a lubricating function but a pure sealing function, practically any working medium up to water can be used in the process according to the invention, which have high molar heat of evaporation, have large temperature jumps in the low pressure range and permit high operating temperatures of the compressor.
  • Another advantage of the procedural separation of compression and heating in the liquid ring pump according to the invention lies in the possibility of being able to achieve temperatures of the working medium after the temperature has risen by more than 180.degree.
  • Operating materials such as high-boiling silicone oils or diester oils or plasticizers such as dioctyl phthalate with viscosities of up to 50 centistokes (cts) are particularly cheap.
  • the boiling point of the operating fluid is advantageously higher than the temperature of the working fluid> after the temperature increase.
  • the working fluid of the heat pump is a one-component solvent, for example water or a higher-boiling solvent.
  • a separation arrangement is preferably connected downstream of the compressor. When using a liquid-superimposed compressor, there is the possibility that small amounts of the operating medium of the compressor can accumulate in the vaporous working medium. The separation arrangement ensures that these parts are collected and fed back to the compressor.
  • an aerosol separator can be connected downstream of the separation arrangement, which can collect the smallest particles (droplets) of the operating medium from the vaporous working medium, which are also conveyed to the compressor.
  • any oil that may accumulate can be conveyed back into the compressor.
  • a condenser is connected downstream of the separating arrangement and / or the aerosol separator, the condensate of the working medium being fed to the evaporator.
  • the working medium condenses in the condenser under an increased pressure which was generated by the compressor, and the working medium can give off heat at a high temperature level.
  • the condensate is preferably returned to the evaporator via an expansion valve.
  • the temperature increase of the vaporous working medium can also be realized according to the invention in addition to the mechanical compression also by absorption of a component of the working medium, which in this case is formed from a mixture of at least two components, in an absorption medium, the released heat of absorption being reduced to the dan second component remaining in the form of an F is transmitted.
  • the absorption systems used for this purpose can be, in addition to the usual scrubber systems, such as, for example, venturi scrubbers, also compressor systems which have a sufficient amount of operating fluid, such as the liquid ring pumps already mentioned and explained in their mode of operation.
  • a particularly favorable embodiment of the invention for the heat pump process provides for the use of azeotropic mixtures as the working medium, the operating medium of the compressor acting as an absorption medium for a component of the working medium. This means that the mixture shows an azeotropic behavior. If a component is extracted during the passage of the vaporous working medium during compression, the heat released during its phase transition is transferred to the still vaporous component, which causes an additional temperature increase of the working medium.
  • the mixture is an azeotrope with a minimum boiling point at a certain mixing ratio of the components.
  • the evaporation temperatures can be reduced, depending on the type, so that they are below the condensation temperatures of the individual components. If the first component is absorbed adiabatically from the vapor mixture, the corresponding heat is transferred to the second component remaining in vapor form. The heat of condensation can thus be withdrawn at an elevated temperature level.
  • the working medium for example an azeotropic mixture of water with perc ethylene or silicones
  • the absorption in which, according to the invention, the heat of absorption obtained is transferred to the second component remaining in vapor form, as a result of which this component heats up to a temperature level above the boiling point of the azeotropic mixture, can take place in and / or after the compressor.
  • One of the main advantages here is that the compressed working fluid is additionally heated due to the separation (absorption) of the first and second components due to the released heat of absorption.
  • the working medium is preferably formed by an azeotropic mixture with a boiling point minimum or an almost azeotropic mixture.
  • the invention is described below with an azeotropic mixture; of course, the invention can also be applied to almost azeotropic mixtures or to non-azeotropic mixtures. High efficiencies can be achieved particularly with an azeotropic or an almost azeotropic mixture.
  • the evaporation temperatures can be lowered so that they are below the evaporation temperatures of the individual components.
  • the working medium is preferably a solvent mixture which has organic and / or inorganic solvent components. Examples of this are mixtures of water and selected silicones.
  • at least one component can also be a protic solvent.
  • the absorbent is a reversible immobilizable solvent, which is the first component of the working medium in the non-immobilized state.
  • the reversible solvent in the boiling working medium can advantageously change through physico-chemical changes in such a way that it can be changed from the non-immobilized state to the reversibly immobilized state by ionization or complex formation from the vapor phase and in the non-immobilized form as an absorbent works for the work equipment.
  • the vaporous working medium already contains the absorbent (in the non-immobilized state) before compression.
  • the reversibly immobilized solvent is in a vaporous state and passes through physical-chemical changes - such as pH shift, change in mole fraction and temperature in its volatility and / or in its vapor pressure - into the liquid state (comparable to steam as a solvent in non-immobilized form and water as a reversibly immobilizable solvent medium).
  • the advantage here is that the working fluid consists of two components, with one component simultaneously acting as an absorbent for the other component in the resersible immobilized state.
  • Cyclic nitrogen compounds such as pyridines, for example, can be used as pH-dependent, reversibly immobilizable solvents.
  • An electrochemical change can advantageously be achieved by the above-mentioned electrolysis of one of the components or of an added electrolyte.
  • the reversibly immobilizable solvent in the uncharged or non-dissociated state, will behave azeotropically with the second component and evaporate according to the set pressure-temperature level.
  • the reversibly immobilizable solvent in the ionized or dissociated form is used as the washing liquid, it can be absorbed in a substantial amount and returned to the evaporator in order to be deionized or undissociated again in the evaporation.
  • absorption systems can also include compressors and pumps that have a sufficient amount of operating fluid, such as Roots pumps with injection, screw compressors, liquid ring pumps or liquid jet pumps.
  • temperatures of certain mixtures can be adapted to the requirements, for example by extracting waste heat from a relaxation process by volumetrically conveying the gas according to the heat output, without having to generate excess pressure on the evaporator side .
  • the method according to the invention for converting thermal energy from fluids into mechanical energy can be used for very different fluids which either exist as one-component fluids or as fluid mixtures.
  • the fluids can also be either gaseous or in the form of liquids.
  • the presence of condensable components which condense in the evaporation of a "first" working medium by falling below the dew point is particularly advantageous since the heat of condensation released, which is present as latent heat, usually significantly increases the usable energy supply because the latent heat energies in phase transitions, condensable gases are usually significantly higher than the sensible heat energies in permanent gases, the phase transition advantageously still taking place at a constant temperature.
  • Examples of such fluids can be exhaust air or waste water flows from industrial cooling, heat exchange or relaxation processes.
  • a particularly preferred embodiment of the invention relates to the conversion of the thermal energy from the atmospheric air with the water vapor dissolved therein as atmospheric moisture.
  • this energy reservoir which is formed by the sensible heat of the air and the latent heat of the water vapor, is everywhere the world, that is, regardless of location. This energy reservoir is constantly replenished by the sun's rays.
  • the conversion of the thermal energy contained in moist air into mechanical energy is an indirect use of thermal energy from solar radiation.
  • a particularly preferred embodiment of the method according to the invention provides for the thermal energy from moist ambient air to be taken up in an evaporator for the evaporation of a suitable working medium and, if necessary, for a transformation to a higher temperature level depending on the real environmental conditions in terms of temperature and humidity to relax the steam with one or more heat pumps via a low-pressure expansion device according to the above statements, the thermal energy being partly converted into mechanical energy and the energy still contained in the relaxed working medium being recyclable.
  • the gaseous components are cooled, and on the other hand, depending on the temperature levels of the heat exchange processes, the air humidity contained is largely condensed, the high heat of condensation of the water being obtained for the process.
  • the conversion can advantageously also be carried out without the interposition of a heat pump.
  • the average working figure of the system according to the invention for converting thermal energy from fluids into mechanical energy at an initial fluid temperature of 25 ° C. over a period of 24 hours is 2.5 to 12.
  • the average working digit can be 3 to 10 or 4 to 8 for systems according to the invention.
  • the average working digit for systems according to the invention is preferably 5 to 6.
  • the overall efficiency of the system according to the invention for converting thermal energy from fluids into mechanical energy at an initial fluid temperature of 25 ° C. determined over 24 hours is preferably> 40%, preferably> 50% and particularly preferably> 60% *
  • 15% to 40%, preferably 20% to 35% and preferably 25% to 30%, of the energy released can be used for the conversion into mechanical energy by relaxing the working medium on the low-pressure expansion device.
  • systems according to the invention can handle air quantities from 1.6 m 3 h to 160,000 m? h Withdraw energy. Of course, much larger amounts of air can be extracted from energy. Dimensioning in the range from 160 n ⁇ h to 1,600 ⁇ r? / H has proven to be economical for a household.
  • 0.1 kW to 1000 KW of electricity can be generated, for example, with systems according to the invention.
  • 1 KW of electricity can be generated from air quantities of 160 r / h at 25 ° C and 10 KW of electricity can be generated from air quantities of 1600 mP h at 25 ° C.
  • the systems according to the invention can of course extract energy from all types of gases and / or liquids, provided that these do not damage the system.
  • Gases for energy generation can be used, for example, from a temperature of at least 15 ° C up to 250 ° C or even up to 350 ° C or even higher. Gases with low temperatures are usually obtained as process gases. Temperatures of 300 ° C or higher occur with equipment such as oils or the like.
  • the thermal energy of ambient air which is usually at least 15 ° C. to 50 ° C., preferably 20 ° C. to 40 ° C. and preferably 25 ° C. to 35 ° C.
  • the temperature T1 of the working medium upstream of the low-pressure relaxation device is higher than the temperature T2 of the working medium downstream of the low-pressure relaxation device and upstream of the absorption device.
  • the temperature T3 of the working medium in the evaporator unit is higher than the temperature T2 of the working medium after the low-pressure expansion device and before the absorption device.
  • the temperature of the working medium in the evaporator can be 10 ° C to 250 ° C, preferably 20 ° C to 200 ° C, preferably 30 ° C to 150 ° C, more preferably 40 ° C to 130 ° C and particularly preferably 50 ° C to 100 ° C. Most preferably, the temperature of the working medium in the evaporator is above the boiling point.
  • the pressure of the working medium upstream of the low-pressure expansion device can be in the range from 0.3 bar to 15 bar.
  • the working fluid in the supply line from the evaporator to the low-pressure expansion device is preferably in the range from 1 bar to 10 bar, more preferably in the range from 1.5 bar to 8 bar, more preferably in the range from 2 bar to 6 bar and more preferably in the range from 3 bar to 4 bar.
  • the pressure difference ⁇ P of the working medium in front of the low-pressure expansion device and immediately after the relaxation of the working medium but in front of the absorption device should be ⁇ P 0.1 bar to 5 bar, preferably ⁇ P 0.5 bar to 3 bar and preferably ⁇ P 0.75 bar to Make 1 bar.
  • Figure 1 shows a system for converting thermal energy from humid ambient air into mechanical energy.
  • a forced air flow in a heat exchanger (2) is cooled with the aid of a fan (1).
  • the supply air can be pre-cooled in an air-air heat exchanger (3) by exchanging heat with the cooled air.
  • the heat exchanger (2) serves as an evaporator unit of a heat pump, which forms the compressor (4), the heat exchange unit (5), which acts as a condenser of the heat pump, and the expansion valve (6) as further functional modules.
  • the energy released is used to vaporize an azeotropic mixture that is used as a working medium in an energetic cir- cular process.
  • the vapor produced in the evaporator unit (7) from the azeotropic mixture is expanded via a low-pressure expansion device (8), a mechanical force occurring on the shaft, which is converted into electricity with the aid of the generator (9).
  • the relaxed vapor is separated in a downstream scrubber (10) in which the absorbent injected into the scrubber (10) at the top absorbs one of the components.
  • the heat of absorption released in this process is transferred to the other component remaining in vapor form, as a result of which the residual vapor is heated to a temperature level above the boiling point of the azeotropic mixture.
  • the residual vapor releases its heat of condensation in the heat exchanger unit (13), which is integrated in the evaporator unit (7).
  • the component liquefied in (13) is returned to the storage tank by means of the pump (14). rather transported for the azeotropic mixture, and is available here again for mixing with the other component.
  • the component absorbed in the scrubber is fed with the aid of the pump (11) to a membrane filter (12) in which this component is separated again from the absorption liquid.
  • the pressure generated by the pump (11) is sufficient to return the absorbent to the scrubber on the one hand and to feed the second component of the evaporator unit (7) on the other.
  • the two components in the storage space of the evaporator unit are mixed together again.
  • Two energy components therefore contribute to the production of the motive steam from the azeotropic mixture:
  • the energy obtained with the heat pump (2, 4, 6, 5) from the cooled air and the condensed air humidity and transformed to the high temperature level of the evaporation and on the other hand the energy energetic cycle after the relaxation, absorption energy returned from the motive steam separation of the vapor generated from an azeotropic mixture.
  • this return of the energy ensures the good efficiency of the extraction of air from air.
  • a motor can also be used to drive the compressor (4) of the heat pump, which is operated either with diesel or natural gas or also with biogenic fuels, such as, for example, biogas, rapeseed oil or bio-diesel.
  • an additional energy component for the evaporator unit (7) can be obtained from the engine waste heat or the exhaust gas heat of the engine (16).

Abstract

The invention relates to a method and an installation for converting thermal energy, which is contained in fluids as perceptible or latent heat, into mechanical energy. According to said method, a working medium is evaporated in an evaporator by means of the thermal energy, the latter if required being converted to a higher temperature using one or more heat pumps that are connected one behind the other. The working medium is then expanded in an expansion device and the thermal energy is at least partially converted into mechanical energy. The invention is characterised in that the expansion takes place in a low-pressure expansion device (8) and the energy that is contained in the expanded vaporous working medium can be returned to the evaporation unit of the evaporator (7), which can be used to evaporate additional working medium.

Description

VERFAHREN UND ANLAGE ZUR UMWANDLUNG VON WÄRMEENERGIE AUS FLUIDEN IN MECHANISCHE ENERGIEMETHOD AND SYSTEM FOR CONVERTING HEATING ENERGY FROM FLUIDS INTO MECHANICAL ENERGY
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie, die in Fluiden beispielsweise als fühlbare oder latente Wäraie enthalten ist, in mechanische Energie, bei dem in einem Verdampfer ein Arbeitsmittel verdampft wird, das in einer Entspannungsvorrichtung entspannt wird, wobei Wärmeenergie zumindest teilweise in mechanische Energie umgewandelt wird. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Anlage zur Umwandlung von Wärmeenergie von Fluiden in mechanische Energie. , Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Vorrichtungen sowie Verfahren zur Gewinnung von mechanischer Energie bekannt. Es sind beispielsweise Wärmekraftanlagen bekannt, in denen in einem Kessel ein Arbeitsmittel, z.B. Wasserdampf bei einem hohen Druck isobar bis zum Siedepunkt erwärmt wird, verdampft und anschließend in einem Überhitzer noch überhitzt wird. Der Dampf wird anschließend in einer Turbine unter Verrichtung von Arbeit adiabat entspannt und in einem Kondensator unter Wärmeabgabe verflüssigt. Die Flüssigkeit wird von einer Speisewasserpumpe auf einen Druck gebracht und wieder in den Kessel gefördert. Einer der Nachteile dieser Vorrichtungen ist, dass bei diesen Entspannungsprozessen mit Wasserdampf in Turbinen hohe Temperaturen für Drücke von über 15 bar bis 200 bar erzeugt werden müssen, um wirtschaftliche Wir?kungsgrade zu erreichen, da bei Turbinen das Druckverhältnis bei der Entspannung die wesentliche Einflussgröße ist.The invention relates to a method for converting thermal energy, which is contained in fluids, for example, as tangible or latent heat, into mechanical energy, in which a working fluid is evaporated in an evaporator, which is expanded in a relaxation device, thermal energy at least partially into mechanical energy is converted. Furthermore, the invention relates to a system for converting thermal energy from fluids into mechanical energy. . A large number of devices and methods for obtaining mechanical energy are known from the prior art. For example, thermal power plants are known in which a working medium, for example water vapor, isobarically heated to the boiling point in a boiler, evaporated and then overheated in a superheater. The steam is then adiabatically expanded in a turbine, performing work, and liquefied in a condenser, giving off heat. The liquid is brought to a pressure by a feed water pump and fed back into the boiler. One of the disadvantages of these devices is that in these expansion processes using steam in turbines, high temperatures for pressures of over 15 bar to 200 bar have to be generated in order to achieve economic efficiency levels, since the pressure ratio in expansion is the essential influencing variable in turbines ,
Ein weiteres Merkmal der bekannten Entspannungsprozesse zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie ist, dass die bei der Kondensation des Arbeitsmittels anfallende Kondensationsabwärme verfahrensbedingt für den Entspannungsprozess selbst nachteiligerweise als Verlustwärme anfällt, wodurch der Wirlaingsgrad negativ beeinflusst wird.A further feature of the known relaxation processes for converting thermal energy into mechanical energy is that the condensation waste heat which arises during the condensation of the working medium, due to the process itself, disadvantageously arises as heat loss for the relaxation process, as a result of which the degree of whirling is negatively influenced.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie zu schaffen, die die genannten Nachteile vermeiden, sowie einen verbesserten Wirkungsgrad, vor allem bei Temperatur- und Druck- niveaus, die beispielsweise näherungsweise den natürlichen Umgebungsbedingungen entsprechen, aufweisen.The invention has for its object to provide a method and an apparatus for converting thermal energy into mechanical energy, which avoid the disadvantages mentioned, and an improved efficiency, especially at temperature and pressure levels which, for example, approximately correspond to the natural environmental conditions , exhibit.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 vorgeschlagen. In den abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Weiterbildungen ausgeführt. Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie aus einem Fluid in mechanische Energie durch Entspannung eines dampfförmigen Arbeitsmittels in einer mit einem Verdampfer verbundenen Entspannungsvorrichtung zur Verfügung gestellt, bei dem Wärmeenergie durch Wärmeaustausch in einem Verdampfer ein Arbeitsmittel verdampft und/oder Wärmeenergie mittels wenigstens einer oder mehreren hintereinander geschalteten Wärmepumpen auf ein höheres Temperaturniveau transformiert wird, um durch Wärmeaustausch das Arbeitsmittel in dem Verdampfer zu verdampfen, wobei das dampfförmige Arbeitsmittel ein aus mindestens zwei Komponenten gebildetes dampfförmiges Gemisch ist und in einer Niederdruck-Entspannungs Vorrichtung entspannt wird, wobei die bei der Entspannung freiwerdende Energie des Arbeitsmittels teilweise in mechanische Energie umgewandelt wird, und wobei wenigstens eine zweite dampfförmige Komponente nach der Niederdruck- Entspannung eine Temperaturerhöhung erfährt und wenigstens einer ersten Komponente des Arbeitsmittels Energie entzogen wird, so dass die in der entspannten, dampfförmigen, temperaturerhöhten zweiten Komponente/n des Arbeitsmittels enthaltene Energie in den Verdampfer ruckfuhrbar ist und zur Verdampfung von zusätzlichem Arbeitsmittel nutzbar ist.To achieve this object, a method with the features of claim 1 is proposed. Preferred further developments are set out in the dependent claims. According to the invention there is provided a method for converting thermal energy from a fluid into mechanical energy by expanding a vaporous working medium in a expansion device connected to an evaporator, in which thermal energy evaporates a working medium by heat exchange in an evaporator and / or thermal energy by means of at least one or more successively connected heat pumps are transformed to a higher temperature level in order to evaporate the working fluid in the evaporator by heat exchange, the vaporous working fluid being a vaporous mixture formed from at least two components and being expanded in a low-pressure expansion device, the pressure being released during the expansion Energy of the working fluid is partially converted into mechanical energy, and at least one second vaporous component experiences a temperature increase after the low-pressure expansion energy and at least one first component of the working fluid is withdrawn, so that the energy contained in the relaxed, vaporous, temperature-raised second component / s of the working fluid can be returned to the evaporator and can be used to vaporize additional working fluid.
Wärmeenergie, die durch Wärmeaustausch in einem Verdampfer ein Arbeitsmittel verdampft, kann beispielsweise durch wenigstens eine Energiequelle/n zur Verfügung gestellt werden, die einen guten Wirkungsgrad hat. Eine Energiequelle/n mit hohem Wirkungsgrad kann beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe umfassend Wärmepumpe/n, Brennstoffzelle/n und/oder Solaranlage/n.Thermal energy, which vaporizes a working fluid through heat exchange in an evaporator, can be made available, for example, by at least one energy source / s which has a good efficiency. An energy source / s with high efficiency can, for example, be selected from the group comprising heat pumps / fuel cells / n and / or solar system / s.
Solaranlagen im Sinne der Erfindung können auch Solarkollektoren umfassen.Solar systems in the sense of the invention can also include solar collectors.
Zumindest ein Teil der benötigten Energie, vorzugsweise die gesamte Energie, die zur Temperaturerhöhung der zweiten Komponente/n nach der Niederdruck-Entspannung erforderlich ist, ?kann durch die bei einer Absoiption und/oder Adsorption freiwerdende Energie gewonnen werden.At least part of the energy required, preferably all of the energy required to raise the temperature of the second component / s after the low-pressure relaxation can be obtained through the energy released during absorption and / or adsorption.
Die Begriffe ,Absorption" Und „absorbiert" haben im Sinne dieser Erfindung die Bedeutung von „Absorption und/oder Adsorption" bzw. „absorbiert und/oder adsorbiert".The terms absorption "nd" absorbed "in the sense of this invention have the meaning of" absorbed absorption and / or adsorption "or" and / or adsorbed. "
Der Begriff „Entspannung" bedeutet im Sinne dieser Erfindung eine mit einer Druckverminderung einhergehende Volumenzunahme.For the purposes of this invention, the term “relaxation” means an increase in volume associated with a reduction in pressure.
Erfindungsgemäß kann weiterhin vorgesehen sein, dass mit der Wärmeenergie, die in einem Fluid in Form von fühlbarer oder latenter Wärme einer oder mehrerer Komponenten vorhanden ist, falls erforderlich nach einer Transformation auf ein höheres Temperaturniveau mittels einer oder mehrerer hintereinander angeordneten Wärmepumpen in einem Verdampfer ein Arbeitsmittel verdampft wird, dass die Entspannung in einer Niederdruck-Entspannungsvorrichtung erfolgt und die im entspannten dampfförmigen Arbeitsmittel enthaltene Energie in den Verdampfer ruckfuhrbar ist, die zur Verdampfung zusätzlichen Arbeitsmittels nutzbar ist. Vorzugsweise weist das Verfahren eine erste Komponente des Arbeitsmittels auf, das durch ein Gemisch gebildet ist, in und/oder nach der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung mittels eines Absorptionsmittels absorbiert wird, wobei Wärme auf die dampfförmig verbleibende zweite Komponente übertragen wird.According to the invention it can further be provided that with the thermal energy that is present in a fluid in the form of sensible or latent heat of one or more components, if necessary after a transformation to a higher temperature level by means of one or more heat pumps arranged in series in an evaporator is evaporated that the expansion takes place in a low-pressure expansion device and the energy contained in the expanded vaporous working medium can be returned to the evaporator, which energy can be used to evaporate additional working medium. The method preferably has a first component of the working medium, which is formed by a mixture, is absorbed in and / or after the low-pressure expansion device by means of an absorbent, heat being transferred to the second component remaining in vapor form.
Der zwischengeschaltete Wärmepumpenprozess zur Transformation des Temperaturniveaus des zu entspannenden Arbeitsmittels kann mit unterschiedlichen Ausführungsformen von Wärmepumpen, wie nachfolgend beschrieben, realisiert werden. Zusätzlich kann vorgesehen werden, abhängig von der Größe der gewünschten Temperaturerhöhung, die Energie-Transformation zur Temperaturerhöhung auch mit mehreren hintereinandergeschalteten Wärmepumpenprozessen durchzuführen.The intermediate heat pump process for transforming the temperature level of the work medium to be relaxed can be implemented with different embodiments of heat pumps, as described below. In addition, depending on the size of the desired temperature increase, it can be provided that the energy transformation for the temperature increase is also carried out with several heat pump processes connected in series.
Wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Entspannung des Arbeitsmittels in einer Niederdruck-Entspannungsvorrichtung, wobei die im entspannten dampfförmigen Arbeitsmittel enthaltene Energie in den Verdampfer ruckfuhrbar ist und zur Verdampfung zusätzlichen Arbeitsmittels nutzbar ist. Dazu wird das zu entspannende Arbeitsmittel durch ein Gemisch gebildet, und das Verfahren weist vorzugsweise wenigstens eine erste Komponente des Arbeitsmittels auf, das in und/oder nach der Niederdruck- Entspannungsvorrichtung mittels eines Absorptionsmittels absorbiert und/oder mittels eines Adsorptionsmittels adsorbiert wird, wobei Wärmeenergie auf die verbleibende, dampfförmige zweite Komponente/n übergeht, die ruckfuhrbar ist.An essential feature of the method according to the invention is the expansion of the working medium in a low-pressure expansion device, the energy contained in the expanded vaporous working medium being able to be returned to the evaporator and being used for the evaporation of additional working medium. For this purpose, the working medium to be relaxed is formed by a mixture, and the method preferably has at least a first component of the working medium which is absorbed in and / or after the low-pressure expansion device by means of an absorbent and / or is adsorbed by means of an adsorbent, thermal energy the remaining vaporous second component / s passes over, which is recyclable.
Das Arbeitmittel liegt bevorzugt als azeotropes Gemisch oder als ^Gemisch mit einer Siedepunkterniedrigung, bezogen auf den Siedepunkt der Komponente mit dem höchsten Siedepunkt, vor, wobei Arbeitsmittel in Form von Gemischen bevorzugt sind die eine Siedepunkterniedrigung von mindestens ° C, bevorzugt von mindestens 10° C, weiter bevorzugt von mindestens 15° C, noch weiter bevorzugt von mindestens 20° C und am meisten bevorzugt von mindestens 25° C aufweisen, bezogen auf den Siedepunkt der Komponente mit dem höchsten Siedepunkt.The working fluid is preferably as an azeotropic mixture or as a ^ mixture having a boiling point lowering, based on the boiling point of the component with the highest boiling point, before, wherein working means are preferably in the form of mixtures having a boiling point lowering of at least, preferably ° C of at least 10 ° C , more preferably at least 15 ° C, even more preferably at least 20 ° C and most preferably at least 25 ° C, based on the boiling point of the component with the highest boiling point.
?[n einer Ausführungsforai der Erfindung ist das Arbeitmittel-Gemisch bei einem bestimmten Mischungsverhältnis der Komponenten ein Azeotrop mit Siedepunktminimum. Bei azeotrop verdampfenden Gemischen mit Siedepunktminimum lassen sich je nach Typ die Verdampfungstemperaturen absenken, so dass diese unter den Kondensationstemperaturen der einzelnen Komponenten liegen. Wird aus dem Dampfgemisch adiabat die erste Komponente absor- biert, so geht die entsprechende Wärme auf die dampfförmig verbleibende zweite Komponente über. Der Entzug der Kondensationswärme kann dadurch auf einem erhöhten Temperaturniveau erfolgen. Insbesondere kann bei geeignet ausgewählten Azeotropmischungen die zweite dampfförmige Komponente im Verdampfer des Arbeitsmittels selbst unter Abgabe der Kondensationswärme kondensiert werden, so dass der entsprechende Anteil der Wärmeenergie in den Prozess zurückgefύlirt werden kann.In an embodiment of the invention, the working medium mixture is an azeotrope with a minimum boiling point for a certain mixing ratio of the components. In the case of azeotropically evaporating mixtures with a boiling point minimum, the evaporation temperatures can be reduced, depending on the type, so that they are below the condensation temperatures of the individual components. If the first component is absorbed from the vapor mixture adiabatically beers, the corresponding heat is transferred to the second component remaining in vapor form. The heat of condensation can thus be withdrawn at an elevated temperature level. In particular, in the case of suitably selected azeotropic mixtures, the second vaporous component can be condensed in the evaporator of the working medium itself, giving off the heat of condensation, so that the corresponding proportion of the thermal energy can be fed back into the process.
Erfindungsgemäß geeignet verwendbare Azeotropmischungen können ausgewählt sein aus der Gruppe umfassend, Pyridin/Wasser, Wasser/Ethanol, Wasser/Ethylacetat, Wasser/Dioxan, Wasser/Tetrachlorkohlenstoff, Wasser Benzol, Wasser/Toluol, Ethanol/Ethylacelat, Elha- nol/Benzol, Ethanol/Chloroform, Ethanol/Tetrachlorkohlenstoff, Ethylacetat/ Tetrachlorkohlenstoff, Methanol/ Tetrachlorkohlenstoff, Methanol/Benzol, Chloroform/Aceton, Tolu- ol Essigsäure, Aceton- Schwefelkohlenstoff und/oder Wasser/Silikon.Azeotropic mixtures suitable for use in accordance with the invention can be selected from the group comprising pyridine / water, water / ethanol, water / ethyl acetate, water / dioxane, water / carbon tetrachloride, water benzene, water / toluene, ethanol / ethyl acylate, ethanol / benzene, ethanol / Chloroform, ethanol / carbon tetrachloride, ethyl acetate / carbon tetrachloride, methanol / carbon tetrachloride, methanol / benzene, chloroform / acetone, toluene acetic acid, acetone-carbon disulfide and / or water / silicone.
Gleichermaßen erf ndungsgemäß verwendbare geeignete Azeotropmischungen können auch mehrkomponentige Systeme sein, d.h. diese Azeotropmischungen umfassen venigstens drei Komponenten, oder wenigstens vier Komponenten. Grundsätzlich sind alle in der Literatur bekannten Azeotropmischungen, auf die in diesem Zusammenhang im vollen Umfang Bezug genommen wird, verwendbar, soweit diese erfindungsgemäß geeignet sind.Suitable azeotropic mixtures which can likewise be used according to the invention can also be multi-component systems, i.e. these azeotropic mixtures comprise at least three components, or at least four components. Basically, all azeotropic mixtures known in the literature, to which reference is made in their entirety in this connection, can be used insofar as they are suitable according to the invention.
Bevorzugt ist, wenn die zu absorbierende erste Komponente Wasser ist, kann als Absorptionsmittel beispielsweise eine alkalische Silikatlösung eingesetzt werden.It is preferred if the first component to be absorbed is water, for example an alkaline silicate solution can be used as the absorbent.
Die Verwendung von Wasser ist vorteilhaft, da die Kondensationswärme von Wasser, d.h. von Gas auf flüssig besonders hoch ist. Die hierbei freiwerdende Wärmeenergie lässt sich in vorteilhafter Weise zur Erwärmung der zweiten Komponente/n verwenden. Erfindungsgemäß geeignet verwendbare Absorptionsmittel und/oder Adsorptionsmittel können ausgewählt sein aus der Gruppe umfassend, Zeolithe, Silikate, anorganische Säuren, insbesondere Phosphorsäure, Halogensäuren, Schwefelsäure, Kieselsäure, organische Säuren, anorganische Salze und/oder organische Salze.The use of water is advantageous because the heat of condensation from water, ie from gas to liquid, is particularly high. The thermal energy released in this way can advantageously be used to heat the second component (s). Absorbents and / or adsorbents which can be suitably used according to the invention can be selected from the group comprising zeolites, silicates, inorganic acids, in particular phosphoric acid, halogen acids, sulfuric acid, silicic acid, organic acids, inorganic salts and / or organic salts.
Geeignete Salze sind Alkali- und/oder Erdalkalisalze, insbesondere deren Halogensalze, wie Li Br, LiCl, MgC]2 und dergleichen.Suitable salts are alkali and / or alkaline earth salts, in particular their halogen salts, such as Li Br, LiCl, MgC] 2 and the like.
Als Absorptionsmittel und/oder Adsorptionsmittel sind grundsätzlich alle Substanzen geeignet, die ein Lösemittel des Arbeitsmittels absorbieren und/oder adsorbieren. Bevorzugt sind allerdings solche Absoφtionsmittel und/oder Adsorptionsmittel die die absorbierte und/oder adsorbierte Komponente des Arbeitsmittels mit lediglich geringem Energieaufwand wieder freisetzen.In principle, all substances which absorb and / or adsorb a solvent of the working medium are suitable as absorbents and / or adsorbents. However, preference is given to those absorbents and / or adsorbents which release the absorbed and / or adsorbed component of the working fluid with only a small amount of energy.
Vorteilhaft kann weiterhin sein, dass sich die Absorpfionsmittel/Adsorptionsmittel nach Aufnahme einer ersten Komponente/n des Arbeitsmittels leicht von der zweiten Komponente/n des Arbeitsmittels abtrennen lassen.It can also be advantageous that the absorption agents / adsorbents can be easily separated from the second component (s) of the working medium after taking up a first component (s) of the working medium.
Das Absorptionsmittel/Adsorptionsmittel zur Aufnahme wenigstens einer ersten Komponente/n des Arbeitsmittels kann in Vorteilhaftehrweise so gewählt sein, dass der Gesamtwirkungsgrad der erfindungsgemäßen Anlage zur Umwandlung von Wärmeenergie von Fluiden in mechanische Energie bei einer Ausgangs-Fluidtemperatur von 25° C ermittelt über 24 Stunden einschließlich der zur Trennung der ersten Komponente/n vom Absorptionsmittel/Adsorptionsmittel vorzugsweise noch bei > 40% liegt.The absorbent / adsorbent for receiving at least a first component (s) of the working fluid can advantageously be chosen such that the overall efficiency of the system according to the invention for converting thermal energy from fluids into mechanical energy at an initial fluid temperature of 25 ° C. is determined over 24 hours inclusive which is preferably still> 40% for separating the first component / s from the absorbent / adsorbent.
Das Arbeitsmittel für die Niederdruck-Entspannung, beispielsweise ein azeotropes Gemisch aus Wasser und Perchloräthylen, kann beispielsweise durch Wärmeaustausch mit Primärener- gie aus Prozessdämpfen oder erwärmten Prozessflüssigkeiten und/oder Wärmespeichern verdampft werden. Die Absorption, bei der erfindungsgemäß die anfallende Absorptionswärme auf die zweite dampfförmig verbleibende Komponente übertragen wird, wodurch sich diese Komponente auf ein Temperaturniveau oberhalb der Siedetemperatur des azeotropen Gemisches erwärmt, kann in und/oder nach der Entspannungsvomchtung erfolgen. Einer der wesentlichen Vorteile ist hierbei, dass durch die Entspannung des azeotropen Gemisches Wärmeenergie in mechanische Energie und mit Hilfe eines Generators in elektrische Energie umgewandelt werden kann und gleichzeitig das entspannte Arbeitsmittel, das im Entspannungs- prozess bereits „Arbeit" geleistet hat, durch die Trennung (Absorption) der ersten von der zweiten Komponente sich aufgrund der freiwerdenden Absorptionswärme erwärmt. Hierbei kann das verbleibende Arbeitsmittel nach der Entspannung zurückgeführt werden, um beispielsweise in einem Wärmetauscher seine Wärme abzugeben. Zum Beispiel ist es in einer Ausgestaltung der Erfindung möglich, dass das verbleibende Arbeitsmittel (nur zweite Komponente) in einen Wärmetauscher (Verdampfer) geleitet wird, in dem das verbleibende Arbeitsmittel kondensiert und aufgrund der entstehenden Kondensationswärme das flüssige Arbeitsmittel mit der ersten und der zweiten Komponente verdampft und anschließend wieder in die Entspannungsvorrichtung geführt wird. Hierdurch kann erfindungsgemäß der Wirkungsgrad des Verfahrens zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie wesentlich verbessert werden.The working medium for low-pressure relaxation, for example an azeotropic mixture of water and perchlorethylene, can be, for example, by heat exchange with primary be evaporated from process vapors or heated process liquids and / or heat storage. The absorption, in which, according to the invention, the heat of absorption is transferred to the second component remaining in vapor form, as a result of which this component heats up to a temperature level above the boiling point of the azeotropic mixture, can take place in and / or after the relaxation device. One of the main advantages here is that the relaxation of the azeotropic mixture can convert thermal energy into mechanical energy and with the help of a generator into electrical energy, and at the same time the relaxed work equipment, which has already done "work" in the relaxation process, through the separation (Absorption) of the first from the second component heats up due to the released heat of absorption, whereby the remaining working medium can be returned after the expansion, for example to give off its heat in a heat exchanger. For example, in one embodiment of the invention it is possible for the remaining Working medium (only second component) is passed into a heat exchanger (evaporator), in which the remaining working medium condenses and, due to the heat of condensation, the liquid working medium evaporates with the first and second components and then back into the En t tensioning device is guided. In this way, according to the invention, the efficiency of the method for converting thermal energy into mechanical energy can be significantly improved.
Das Arbeitsmittel für die Niederdruck-Entspannung ist vorzugsweise durch ein azeotropes Gemisch mit Siedepunktminimum oder nahezu azeotropes Gemisch gebildet. Im folgenden wird die Erfindung mit einem azeotropen Gemisch beschrieben, selbstverständlich kann die Erfindung ebenfalls auf nahezu azeotrope Gemische beziehungsweise auf nicht azeotrope Gemische bezogen werden. Hohe Wirkungsgrade lassen sich besonders mit einem azeotropen oder einem nahezu azeotropen Gemisch erzielen. Bei einem Einsatz eines azeotropen Gemi- sches können je nach Typ deren Verdampfungstemperaturen abgesenkt werden, so dass diese unter den Verdampfungstemperaturen der einzelnen Komponenten hegen.The working medium for the low-pressure expansion is preferably formed by an azeotropic mixture with a boiling point minimum or an almost azeotropic mixture. The invention is described below with an azeotropic mixture; of course, the invention can also be applied to almost azeotropic mixtures or to non-azeotropic mixtures. High efficiencies can be achieved particularly with an azeotropic or an almost azeotropic mixture. When using an azeotropic mixture Depending on the type, their evaporation temperatures can be reduced so that they are below the evaporation temperatures of the individual components.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Arbeitsmittel eine geringe volumenspezifr sehe beziehungsweise geringe molare Verdampfungsenthalpie auf. Damit wird erreicht, dass mit einer vorgegebenen Menge an Wärmeenergie eine große Menge an Treibdampf erzeugt wird.In a preferred embodiment, the working medium has a low volume-specific or low molar enthalpy of vaporization. This ensures that a large amount of motive steam is generated with a predetermined amount of thermal energy.
Zumindest eine Komponente des Arbeitsmittels, bevorzugt die zweite Komponente, kann erfindungsgemäß bevorzugt einen Siedepunkt im Bereich von 20° C - 250° C, vorzugsweise von 40° C - 200° C, bevorzugt von 60° C - 150° C, noch bevorzugt von 80° C - 120° C und am meisten bevorzugt von 90° C - 100° C aufweisen.According to the invention, at least one component of the working medium, preferably the second component, can preferably have a boiling point in the range from 20 ° C. to 250 ° C., preferably from 40 ° C. to 200 ° C., preferably from 60 ° C. to 150 ° C., still preferably from 80 ° C - 120 ° C, and most preferably 90 ° C - 100 ° C.
Zumindest eine Komponente des Arbeitsmittels, bevorzugt die zweite Komponente, kann erfindungsgemäß bevorzugt eine Molare Verdampfungswärme im Bereich von 5 ?KJ/mol - 15 KJ/mol, vorzugsweise von 6 KJ/mol - 14 KJ/mol, bevorzugt von 7 KJ/mol - 13 KJ/mol, noch bevorzugt von 8 KJ/mol - 12 KJ/mol und am meisten bevorzugt von 9 KJ/mol - 10 KJ/mol aufweisen.According to the invention, at least one component of the working medium, preferably the second component, can preferably have a molar heat of vaporization in the range from 5? KJ / mol-15 KJ / mol, preferably from 6 KJ / mol-14 KJ / mol, preferably from 7 KJ / mol. 13 KJ / mol, more preferably from 8 KJ / mol - 12 KJ / mol and most preferably from 9 KJ / mol - 10 KJ / mol.
Zumindest eine Komponente des Arbeitsmittels, bevorzugt die zweite Komponente, kann erfindungsgemäß bevorzugt eine' eringe spezifische Wärmekapazität [cp] von < 1,2 J/g, vorzugsweise von 0,4 J/g - 1 J/g, bevorzugt von 0,5 J/g - 0,9 J/g, und am meisten bevorzugt von 0,6 J/g - 0,8 J/g aufweisen.According to the invention, at least one component of the working medium, preferably the second component, can preferably have a low specific heat capacity [cp] of <1.2 J / g, preferably of 0.4 J / g-1 J / g, preferably of 0.5 J / g - 0.9 J / g, and most preferably from 0.6 J / g - 0.8 J / g.
Vorzugsweise ist das Arbeitsmittel ein Lösemittelgemisch, das organische und/oder anorganische Lösemittelkomponenten aufweist. Beispiele hierfür sind etwa Gemische aus Wasser und Silikone/en. Erfindungsgemäß bevorzugt verwendbare Silikone und/oder Derivate davon können einen Siedepunkt im Bereich von 20° C - 250° C, vorzugsweise von 40° C - 200° C, bevorzugt von 60° C - 150° C, noch bevorzugt von 80° C - 120° C und am meisten bevorzugt von 90° C - 100° C aufweisen.The working medium is preferably a solvent mixture which has organic and / or inorganic solvent components. Examples of this are mixtures of water and silicones. Silicones and / or derivatives thereof which can preferably be used according to the invention can have a boiling point in the range from 20 ° C. to 250 ° C., preferably from 40 ° C. to 200 ° C., preferably from 60 ° C. to 150 ° C., still preferably from 80 ° C. 120 ° C and most preferably from 90 ° C - 100 ° C.
Erfindungsgemäß bevorzugt verwendbare Silikone und/oder Derivate davon können eine Molare Verdampfungswärme im Bereich von 5 ?KJ/mol - 15 KJ/mol, vorzugsweise von 6 KJ/mol - 14 KJ/mol, bevorzugt von 7 KJ/mol - 13 KJ/mol, noch bevorzugt von 8 KJ/mol - 12 KJ/mol und am meisten bevorzugt von 9 KJ/mol - 10 ?KJ/mol aufweisen.Silicones and / or derivatives thereof which can preferably be used according to the invention can have a molar heat of vaporization in the range from 5 ?? KJ / mol-15 KJ / mol, preferably from 6 KJ / mol-14 KJ / mol, preferably from 7 KJ / mol-13 KJ / mol , more preferably from 8 KJ / mol - 12 KJ / mol and most preferably from 9 KJ / mol - 10? KJ / mol.
Erfindungsgemäß bevorzugt verwendbare Silikone und/oder Derivate davon können eine geringe spezifische Wärmekapazität [cp] von < 1,2 J/g, vorzugsweise von 0,4 J/g - 1 J/g, bevorzugt von 0,5 J/g - 0,9 J/g, und am meisten bevorzugt von 0,6 J/g - 0,8 J/g aufweisen.Silicones and / or derivatives thereof which can preferably be used according to the invention can have a low specific heat capacity [cp] of <1.2 J / g, preferably 0.4 J / g-1 J / g, preferably 0.5 J / g-0 , 9 J / g, and most preferably from 0.6 J / g - 0.8 J / g.
Das Arbeitsmittel kann ein Gemisch aus Wasser und wenigstens einem oder mehreren Sili- kon/en aufweisen. Bevorzugt ist ein Ivlischungsverhältnis Wasser zu Silikon/en von 1 : 100 bis 1 : 2, weiter bevorzugt von 1: 50, noch weiter bevorzugt von 1 : 25, außerdem bevorzugt von 1: 15 und am meisten bevorzugt von 1 : 8 bis 1 : 10.The working fluid can have a mixture of water and at least one or more silicones. A mixing ratio of water to silicone / s is preferred from 1: 100 to 1: 2, more preferably from 1:50, even more preferably from 1:25, further preferably from 1:15 and most preferably from 1: 8 to 1: 10th
Vorteilhafterweise kann mindestens eine Komponente ein protisches Lösemittel sein.At least one component can advantageously be a protic solvent.
Bei einer alternativen Ausführungsform ist das Absorptionsmittel ein reversibles immobilisierbares Lösemittel, das in dem nicht- immobilisierten Aggregatzustand die erste Komponente des Arbeitsmittels ist. Das reversible Lösemittel im siedenden Arbeitsmittel kann sich vorteilhafterweise durch physikalisch-chemische Veränderungen so verändern, in dem es durch Ionisieren oder Komplexbildung aus der Dampfphase von dem nicht- immobilisierten Zustand in den reversibel immobilisierten Zustand verändert werden kann und in der nicht- immobilisierten Form als Absorptionsmittel für das Arbeitsmittel wirkt. Somit enthält das dampfförmige Arbeitsmittel vor der Entspannung bereits das Absorptionsmiltel (im nicht- immobilisierten Zustand). Das reversibel immobilisierte Lösemittel ist in einem dampfförmigen Aggregatzustand und geht durch physikalischrchemische Veränderungen - wie zum Beispiel pH- Verschiebung, Veränderung des Molenbruches und der Temperatur in seiner Flüchtigkeit und/oder in seinem Dampfdruck - in den flüssigen Zustand über (vergleichbar mit Dampf als Lösemittel in nicht- immobilisierter Form und Wasser als reversibel immobilisierbares Lösemittel). Der Vorteil ist hierbei, dass das Arbeitsmittel aus zwei Komponenten besteht, wobei gleichzeitig die eine Komponente im reversiblen immobilisierten Zustand als Absorptionsmittel für die andere Komponente wirkt. Als pH-abhängige reversibel immobilisierbare Lösemittel können beispielsweise zyklische Stickstoffverbindungen - wie Pyridine - eingesetzt werden.In an alternative embodiment, the absorbent is a reversible immobilizable solvent, which is the first component of the working medium in the non-immobilized state. The reversible solvent in the boiling working medium can advantageously change due to physico-chemical changes in that it does not immobilize due to ionization or complex formation from the vapor phase State can be changed to the reversibly immobilized state and acts in the non-immobilized form as an absorbent for the work equipment. Thus, the vaporous working medium already contains the absorption medium (in the non-immobilized state) before the expansion. The reversibly immobilized solvent is in a vaporous state and changes to the liquid state due to physical-chemical changes - such as pH shift, change in mole fraction and temperature in its volatility and / or vapor pressure (comparable to steam as a solvent in non-immobilized form and water as a reversibly immobilizable solvent). The advantage here is that the working fluid consists of two components, with one component simultaneously acting as an absorbent for the other component in the reversibly immobilized state. Cyclic nitrogen compounds such as pyridines, for example, can be used as pH-dependent, reversibly immobilizable solvents.
Die Absorption der ersten Komponente kann beispielsweise bereits,, in der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung erfolgen. Des Weiteren ist es selbstverständlich möglich, dass eine Absorptionsvorrichtung, zum Beispiel als Wäscher ausgeführt, der der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung nachgeschaltet ist. In einer möglichen Ausgestaltung kann in der Absorpti- onsvorrichtung die Ionisierung des reversibel immobilisierbaren Lösemittels durch eine Elektrolyse oder durch ein Zusetzen von Elektrolyten erfolgen, wodurch das Lösemittel in seiner immobilisierten Form als Absorptionsmittel aus dem Arbeitsmittel entsteht. Gleichzeitig werden die das Absorptionsmittel durchströmenden Dämpfe des Arbeitsmittels ebenfalls ionisiert, so dass der Dampfdruck so abgesenkt wird, dass sich der Dampf der reversiblen immobilisierbaren Komponente im Arbeitsmittel niederschlägt. Das azeotrope Arbeitsmittel wird somit durch das Absorptionsmittel geführt, das die erste Komponente aufnimmt (absorbiert), wobei die frei werdende Absorptionsenergie auf die dampfförmige verbleibende zweite Komponente übergeht. Das Absorptionsmittel kann anschließend wieder zurück in den Verdampfer geleitet werden, wo es beispielsweise durch Deionisation in einen nicht- ionischen Zustand überfühil wird und mit der kondensierten Phase der verbliebenden zweiten Komponente als azeotropes Gemisch wieder verdampft wird.The absorption of the first component can already take place, for example, in the low-pressure expansion device. Furthermore, it is of course possible for an absorption device, for example as a scrubber, to be connected downstream of the low-pressure relaxation device. In one possible embodiment, the reversibly immobilizable solvent can be ionized in the absorption device by electrolysis or by adding electrolytes, as a result of which the immobilized solvent forms from the working medium as an absorbent. At the same time, the vapors of the working fluid flowing through the absorbent are also ionized, so that the vapor pressure is lowered so that the vapor of the reversible immobilizable component is deposited in the working fluid. The azeotropic working medium is thus passed through the absorbent which absorbs the first component, the released absorption energy being transferred to the vaporous remaining second component. The absorbent can then be fed back into the evaporator where it becomes, for example, by deionization in a non-ionic state and is evaporated again with the condensed phase of the remaining second component as an azeotropic mixture.
Als Absorptionssysteme kommen neben den üblichen Wäschersystemen, wie zum Beispiel Venturiwäscher, auch Verdichter, Pumpen in Frage, die eine ausreichende Menge an Betriebsflüssigkeit aufweisen, wie zum Beispiel Wälzkolbenpumpen mit Einspritzung, Schraubenverdichter, Flüssigkeitsringpumpen oder Flüssigkeitsstrahlpumpen. Durch die Kombination des Prozesses mit einem polytropen Verdichtungssystem lassen sich Temperaturen bestimmter Gemische dem Bedarf anpassen.In addition to the usual scrubber systems, such as Venturi scrubbers, absorption systems can also include compressors and pumps that have a sufficient amount of operating fluid, such as Roots pumps with injection, screw compressors, liquid ring pumps or liquid jet pumps. By combining the process with a polytropic compression system, temperatures of certain mixtures can be adapted to the requirements.
Zweckmäßigerweise ist das Molverhältnis des Arbeitsmittels derart gewählt, dass der Druck in der Entspannung durch die Reduzierung der Anzahl der in der Gasphase verbleibenden Moleküle mehr abnimmt, als der Druck durch die Erwärmung des verbleibenden Gases zunimmt, damit der Aufbau eines sonst resultierenden Gegendruckes nach der Entspannungsvorrichtung vermieden wird.The molar ratio of the working medium is expediently chosen such that the pressure in the expansion decreases more by reducing the number of molecules remaining in the gas phase than the pressure increases by the heating of the remaining gas, so that an otherwise resulting back pressure builds up after the expansion device is avoided.
Als Niederdruck-Entspannungsvorrichtung kann eine Vorrichtung verwendet werden, bei der weder die Masse des Dampfes noch das Druckverhältnis, sondern allein die Druckdifferenz relevant ist.As a low-pressure expansion device, a device used in the mass of the steam is neither nor the pressure ratio, but only the D r uckdifferenz relevant.
In einer besonders bevorzugten Ausfuhrungsform ist die Niederdruck-Entspannungsvorrichtung als Wälzkolbengebläse - als Rootsgebläse - oder in Form von Ovalradpumpen ausgeführt. Vorteilhaft ist, dass das Wälzkolbengebläse als Entspannungsvorrichtungen (Entspannungsmotoren) schon mit einer Druckdifferenz von 500 mbar mit einem vollen Wirkungsgrad arbeiten können und in einem geschlossenen System bei Drücken von 10 bis 0,5 bar eingesetzt werden kann. Erfindungsgemäß kann das Wälzkolbengebläse mit mindestens einer Ein- spritzöffnung ausgeführt sein, durch die das Absorptionsmittel und/oder ein protisches Lösemittel in das Wälzkolbengebläse einbringbar ist. Vorteilhafterweise erfolgt eine druckgesteuerte Einspritzung zur Verhinderung von Flüssigkeitsschäden. Eine weiterer Vorteil ist, dass bei den genannten Entspannungsvorrichtungen nur die Druckdifferenz und nicht die Masse oder das Entspannungsverhältnis für den Wirkungsgrad maßgebend istIn a particularly preferred embodiment, the low-pressure expansion device is designed as a Roots blower - as a Roots blower - or in the form of oval gear pumps. It is advantageous that the roots blower can work as a relaxation device (relaxation motors) with a pressure difference of 500 mbar with full efficiency and can be used in a closed system at pressures of 10 to 0.5 bar. According to the invention, the Roots blower can be equipped with at least one be designed spray opening through which the absorbent and / or a protic solvent can be introduced into the Roots blower. Pressure-controlled injection is advantageously carried out to prevent liquid damage. Another advantage is that in the relaxation devices mentioned, only the pressure difference and not the mass or the relaxation ratio is decisive for the efficiency
Zweckmäßigerweise weist das Wälzkolbengebläse eine gasdichte Dichtung zwischen Schöpfraum und Getrieberaum auf, wobei in einer weiteren Ausführungsform das Wälzkolbengebläse mehrflügelige Rotoren umfasst.The Roots blower expediently has a gas-tight seal between the scoop space and the gear space, in a further embodiment the Roots blower comprising multi-bladed rotors.
Das Wälzkolbengebläse weist ferner eine Welle auf, die mit dem Generator verbunden den kann, wodurch die mechanische in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Die Verwendung von einem Wälzkolbenmolor als Niederdruckentspannungsvorrichtung eröffnet - insbesondere bei der Nutzung von Abwärme mit einer Temperatur von weniger als ungefähr 100°C für den Antrieb von beispielsweise Pumpen oder Generatoren - die Möglichkeit, zum einen den Prozess durch Einspritzung von Absorptionsmitteln zu unterstützen, und zum anderen wegen der geringen Druck- und Temperaturdifferenzen die verbleibende Energie im entspannten dampfförmigen Arbeitsmittel, wie oben beschrieben, wieder auf ein erhöhtes Temperaturniveau zu transformieren und damit ruckfuhrbar zu machen.The Roots blower also has a shaft connected to the generator that can, whereby the mechanical energy can be converted into electrical energy. The use of a Roots color as a low-pressure expansion device opens up the possibility - on the one hand, of supporting the process by injecting absorbent materials, and - especially when using waste heat with a temperature of less than approximately 100 ° C for driving pumps or generators others because of the small pressure and temperature differences to transform the remaining energy in the relaxed vaporous working medium, as described above, back to an elevated temperature level and thus to make it traceable.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass das Wälzkolbengebläse ein unter Druckstehendes Arbeitsmittel entspannt und nicht verdichtet.According to the invention it can be provided that the roots blower relaxes and does not compress a working medium under pressure.
Bei einer weiteren Ausführung der Erfindung kann eine Trennanordnung vorgesehen sein, die die absorbierte erste Komponente vom Absorptionsmittel trennt. Die Trennanordnung kann beispielsweise als Membransystem ausgebildet sein, das der Absorptionsvorrichtung nachgeschaltet ist. Die desorbierte flüssige, erste Komponente wird zweckmäßigerweise zurück in den Verdampfer geleitet, in dem sie mit der zweiten flüssigen Komponente zusammen als azeotropes Arbeitsmittel verdampft. Das Absorptionsmittel kann zum Beispiel zur Entspannungsvorrichtung geführt werden, in der es in das sich entspannende Arbeitsmittel eingespritzt wird. In einer weiteren Alternative kann das Absorptionsmittel in den Wäscher zurückgeführt werden, in dem die Absorption der ersten Komponente aus dem Arbeitsmittel erfolgt. Als Absorptionsmittel können Öle verwendet werden, aus denen sich die erste Komponente des Arbeitsmittels beispielsweise durch ein Membransystem vollständig wieder austreiben lässt.In a further embodiment of the invention, a separating arrangement can be provided which separates the absorbed first component from the absorbent. The separation arrangement can be designed, for example, as a membrane system which is connected downstream of the absorption device. The desorbed liquid, first component is expediently returned to passed the evaporator by evaporating together with the second liquid component as an azeotropic working medium. The absorbent can, for example, be led to the relaxation device, in which it is injected into the relaxing working fluid. In a further alternative, the absorbent can be returned to the scrubber, in which the first component is absorbed from the working fluid. Oils can be used as absorption medium, from which the first component of the working medium can be completely expelled again, for example by means of a membrane system.
Die Trennung der ersten absorbierten Komponente im Absorptionsmittel kann alternativ durch einen Verdampfungsvorgang der absorbierten Komponente durchgeführt werden.The separation of the first absorbed component in the absorbent can alternatively be carried out by an evaporation process of the absorbed component.
Vorzugsweise wird die nach der Absorptionsvorrichtung verbleibende zweite Komponente, die erfindungsgemäß trotz Entspannung Wärme aufgrund der Absorption der ersten Komponente aufgenommen hat, in einen Wärmetauscher geleitet und kondensiert. Der Wärmetauscher ist vorzugsweise ein Verdampfer, in dem die erste und die zweite Komponente als Arbeitsmittel verdampft werden.Preferably, the second component remaining after the absorption device, which according to the invention has absorbed heat due to the absorption of the first component despite relaxation, is passed into a heat exchanger and condensed. The heat exchanger is preferably an evaporator, in which the first and second components are evaporated as working medium.
Vorzugsweise ist das Arbeitsmittel ein azeotropes Gemisch aus Wasser und Silikon. Das Wasser ist hierbei die erste, absorbierende Komponente und Silikon die zweite Komponente. Zweckmäßigerweise ist das Absorptionsmittel ein Silikat. Vorteilhafterweise ist das Absorptionsmittel eine alkalische molekulardisperse Silikatlösung, wobei das in der alkalischen Silikatlösung absorbierte Wasser beispielsweise durch Erhitzen desorbiert wird.The working medium is preferably an azeotropic mixture of water and silicone. The water is the first, absorbent component and silicone is the second component. The absorbent is expediently a silicate. The absorbent is advantageously an alkaline, molecularly disperse silicate solution, the water absorbed in the alkaline silicate solution being desorbed, for example, by heating.
Die Aufgabe der Erfindung wird ebenfalls durch eine Anlage zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie mit den Merkmalen des Anspruches 24 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Weiterbildungen ausgeführt. Erfindungsgemäß wird eine Anlage zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie zur Verfügung gestellt, die folgende Komponenten umfasst: a) eine Verdampfereinheit, in der ein Arbeitsmittel, das durch ein Gemisch gebildet ist, verdampfbar ist, b) eine Niederdruck-Entspannungsvorrichtung, c) eine Absorptionsvorrichtung und/oder Adsorptionsvorrichtung, die in der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung integriert ist und/oder der Niederdruck- Entspannungsvorrichtung nachgeschaltet ist, d) eine Trennvorrichtung, die als Membransystem oder thermisches Austreibersystem ^ ausgebildet ist, in der die absorbierte Komponente vom Absorptionsmittel getrennt wird, und eine Pumpe, mit der das Absorptionsmittel zur Trennvorrichtung und zurück zur Absorptionsvorrichtung gefördert wird, e) wenigstens eine Energiequelle die mit der Verdampfereinheit in Kontakt steht, mittels derer Wärmeenergie erzeugbar ist, die von einem Fluidstrom im Verdampfer aufgenommen wird, um den Fluidstrom auf ein höheres Temperaturniveau zu transformieren.The object of the invention is also achieved by a system for converting thermal energy into mechanical energy with the features of claim 24. Preferred further developments are set out in the dependent claims. According to the invention, a system for converting thermal energy into mechanical energy is provided, which comprises the following components: a) an evaporator unit in which a working medium which is formed by a mixture can be evaporated, b) a low-pressure expansion device, c) one absorber and / or adsorption device, the expansion device low pressure is integrated in and / or the low-pressure expansion device is connected downstream of, d) a separating device which is designed as a diaphragm system or thermal Austreibersystem ^, in which the absorbed component is separated from the absorbent, and a pump with which the absorption medium is conveyed to the separating device and back to the absorption device, e) at least one energy source which is in contact with the evaporator unit and by means of which heat energy can be generated which is absorbed by a fluid flow in the evaporator in order to reduce the fluid flow to an hour transform higher temperature level.
Die Energiequelle/n kann eine Wärmepumpe/n, eine Brennstoffzellen und/oder Solaranlage/n sein. Bevorzugt ist die Verwendung wenigstens einer Wärmepumpe angesichts der vorteilhaften Energiebilanz. Wärmepumpen lassen sich vorteilhaft bei niedrigen Umgebungstemperatu- - ren einsetzen. Solaranlagen benötigen eine ausreichend hohe Sonneneinstrahlung, so dass in kälteren Regionen häufig der Einsatz von Wärmepumpen bevorzugt sein kann. Brennstoffzellen können ebenfalls aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades Verwendung finden.The energy source / s can be a heat pump / s, a fuel cell and / or solar system / s. The use of at least one heat pump is preferred in view of the advantageous energy balance. Heat pumps can be used advantageously at low ambient temperatures. Solar systems require a sufficiently high level of solar radiation so that the use of heat pumps can often be preferred in colder regions. Fuel cells can also be used due to their high efficiency.
Es kann bevorzugt sein Brennstoffzellen in Kombination mit Solaranlagen und/oder Wärmepumpen einzusetzen. Generell kann es vorteilhaft sein, verschiedenartige Energiequellen zu verwenden, um je nach Umgebungsbedingungen den Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Anlage zu optimieren.It may be preferable to use fuel cells in combination with solar systems and / or heat pumps. In general, it can be advantageous to use different types of energy sources use to optimize the efficiency of the system according to the invention depending on the ambient conditions.
Erfindungsgemäß bezieht sich die Erfindung auf eine Anlage mit einem Verdampfer, in dem ein Arbeitsmittel, das durch ein Gemisch, vorzugsweise ein azeotropes Gemisch, gebildet ist, verdampfbar ist, mit einer ederdruck-Entspannungsvorrichtung, mit einer Absorptionsvorrichtung, die in der Niederdruck- Entspannungsvorrichtung integriert ist und/oder der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung nachgeschaltet ist, wobei in der Absorptionsvorrichtung eine erste Komponente des Arbeitsmittels durch ein Absorptionsmittel absorbierbar ist und Wärme auf die verbleibende, dampfförmige zweite Komponente übertragbar ist, die ruckfuhrbar istAccording to the invention, the invention relates to a system with an evaporator, in which a working medium, which is formed by a mixture, preferably an azeotropic mixture, can be evaporated, with a pressure-reducing device, with an absorption device, which is integrated in the low-pressure device is and / or the low-pressure expansion device is connected downstream, wherein in the absorption device a first component of the working medium can be absorbed by an absorption medium and heat can be transferred to the remaining, vaporous second component, which is recyclable
In der Ausführungsform, in der mit der Wärmeenergie des Fluids zunächst ein erstes Arbeitsmittel verdampft wird, das dann mit einer Wärmepumpe auf ein höheres Temperaturniveau transformiert wird, um dort ein "zweites" Arbeitsmittel für die Niederdruck- Entspannung zu verdampfen, das anschließend in einer Niederdruck-Entspannungsvorrichtung entspannt wird, wobei die Wärmeenergie zum Teil in mechanische Energie umgesetzt wird, bezieht sich die Erfindung auf eine Anlage, die zusätzlich eine oder auch mehrere Wärmepumpen in unterschiedlichen Ausführungsformen umfasst.In the embodiment in which the heat energy of the fluid is first used to evaporate a first working medium, which is then transformed with a heat pump to a higher temperature level in order to evaporate a "second" working medium for low-pressure relaxation, which is then used in a low-pressure process Relaxation device is relaxed, the heat energy is partially converted into mechanical energy, the invention relates to a system that additionally includes one or more heat pumps in different embodiments.
In einer ersten Ausfuhrungsform für eine derartige Wärmepumpe ist vorgesehen, dass einerseits die Temperaturerhöhung des Arbeitsmittels durch eine mechanische Verdichtung erfolgt und andererseits die Temperatur des Arbeitsmittels zusätzlic im Verdichter durch einen Wärmeaustausch mit einem Betriebsmittel, das unmittelbar in Kontakt mit dem Arbeitsmittel steht, und/oder andererseits zusätzlich mittels eines Betriebsmittels, das als Absorptionsmittel wirkt, erhöht wird, wobei das Absorptionsmittel eine erste Komponente des Arbeitsmittels, das durch ein Gemisch gebildet ist, in und/oder nach dem Verdichter absorbiert, wobei Wärme auf die verbleibende, dampfförmige zweite Komponente übergeht. Der Wirkungsgrad, insbesondere für Wärmepumpen, lässt sich durch das erfindungsgemäße Verfahren erheblich verbessern.In a first embodiment for such a heat pump it is provided that on the one hand the temperature of the working medium is increased by mechanical compression and on the other hand the temperature of the working medium is additionally in the compressor through a heat exchange with an operating medium that is in direct contact with the working medium, and / or on the other hand, additionally increased by means of an operating medium which acts as an absorption medium, the absorption medium absorbing a first component of the operating medium, which is formed by a mixture, in and / or after the compressor, heat being transferred to the remaining, vaporous second component. The efficiency, in particular for heat pumps, can be significantly improved by the method according to the invention.
Zum einen erfolgt die Temperaturerhöhung des Arbeitsmittels aufgrund der Verdichtung des Arbeitsmittels. Zum anderen besteht die Möglichkeit, die Temperaturerhöhung durch einen Wärmetausch mit dem Betriebsmittel zu reahsieren. Hierbei ist der Verdichter vorzugsweise als flüssigkeitsüberlagerter Verdichter ausgebildet. Beispielsweise kann es sich hierbei um eine Flüssigkeitsringpumpe oder einen flüssigkeitsüberlagerten Schraubenverdichter handeln. Besonders vorteilhaft ist, dass diese flüssigkeitsüberlagerten Verdichter mit hochsiedenden Betriebsmitteln betrieben werden können. Da in den flüssigkeitsüberlagerten Verdichtern das Betriebsmittel keine Schmierfuhktion sondern eine reine Dichtungsfunktion ausübt, können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren praktisch beliebige Arbeitsmittel bis hin zu Wasser eingesetzt werden, die hohe molare Verdampfungswärmen aufweisen, im Niederdruckbereich große Temperatursprünge haben und hohe Betriebstemperaturen des Verdichters erlauben.On the one hand, the temperature of the working fluid increases due to the compression of the working fluid. On the other hand, there is the possibility of reacting to the temperature increase by exchanging heat with the equipment. Here, the compressor is preferably designed as a liquid-superimposed compressor. For example, this can be a liquid ring pump or a liquid-superimposed screw compressor. It is particularly advantageous that these liquid-superimposed compressors can be operated with high-boiling equipment. Since the operating medium in the liquid-superimposed compressors does not perform a lubricating function but a pure sealing function, practically any working medium up to water can be used in the process according to the invention, which have high molar heat of evaporation, have large temperature jumps in the low pressure range and permit high operating temperatures of the compressor.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen verfahrenstechnischen Trennung von Verdichtung und Erwärmung in der Flüssigkeitsringpumpe hegt in der Möglichkeit, Temperaturen des Arbeitsmittels nach der Temperaturerhöhung von über 180°C realisieren zu können. Besonders günstig sind Betriebsmittel wie hochsiedende Silikonöle oder Diesteröle oder Weichmacher wie Dioctylphtalat mit Viskositäten bis zu 50 centistoke (cts). Vorteilhafterweise ist die Siedetemperatur des Betriebsmittels höher als die Temperatur des Arbeitsmittels > nach der Temperaturerhöhung.Another advantage of the procedural separation of compression and heating in the liquid ring pump according to the invention lies in the possibility of being able to achieve temperatures of the working medium after the temperature has risen by more than 180.degree. Operating materials such as high-boiling silicone oils or diester oils or plasticizers such as dioctyl phthalate with viscosities of up to 50 centistokes (cts) are particularly cheap. The boiling point of the operating fluid is advantageously higher than the temperature of the working fluid> after the temperature increase.
Ferner ist es möglich, dass das Arbeitsmittel der Wärmepumpe ein einkomponentiges Lösemittel ist, beispielsweise Wasser oder ein höhersiedendes Lösemittel. Vorzugsweise ist dem Verdichter eine Trennanordnung nachgeschaltet. Bei der Verwendung eines flüssigkeitsüberlagerten Verdichters besteht die Möglichkeit, dass sich im dampfförmigen Arbeitsmittel geringe Mengen des Betriebsmittels des Verdichters anreichem können. Die Trennanordnung sorgt dafür, dass diese Anteile aufgefangen werden und wieder zurück zum Verdichter geführt werden. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann ein Aero- solabscheider der Trennanordnung nachgeschaltet sein, der kleinste Partikel (Tröpfchen) des Betriebsmittels aus dem dampfförmigen Arbeitsmittel auffangen kann, die ebenfalls zum Verdichter befördert werden. Etwaig sich ansammelndes Öl kann in einer weiteren Ausf h- rungsform der Erfindung wieder in den Verdichter gefördert werden.It is also possible that the working fluid of the heat pump is a one-component solvent, for example water or a higher-boiling solvent. A separation arrangement is preferably connected downstream of the compressor. When using a liquid-superimposed compressor, there is the possibility that small amounts of the operating medium of the compressor can accumulate in the vaporous working medium. The separation arrangement ensures that these parts are collected and fed back to the compressor. In a further embodiment of the invention, an aerosol separator can be connected downstream of the separation arrangement, which can collect the smallest particles (droplets) of the operating medium from the vaporous working medium, which are also conveyed to the compressor. In a further embodiment of the invention, any oil that may accumulate can be conveyed back into the compressor.
Zweclαnäßigerweise ist der Trennanordnung und/oder dem Aerosolabscheider ein Kondensator nachgeschaltet, wobei das anfallende Kondensat des Arbeitsmittels dem Verdampfer zugeführt wird. Im Kondensator kondensiert das Arbeitsmittel unter einem erhöhtem Druck, der durch den Verdichter erzeugt wurde, wobei das Arbeitsmittel Wärme auf einem hohen Temperaturniveau abgeben kann. Das anfallende Kondensat gelangt vorzugsweise über ein Entspannungsventil wieder zum Verdampfer zurück.A condenser is connected downstream of the separating arrangement and / or the aerosol separator, the condensate of the working medium being fed to the evaporator. The working medium condenses in the condenser under an increased pressure which was generated by the compressor, and the working medium can give off heat at a high temperature level. The condensate is preferably returned to the evaporator via an expansion valve.
Die Temperaturerhöhung des dampfförmigen Arbeitsmittels kann erfindungsgemäß zum anderen zusätzlich neben der mechanischen Verdichtung auch durch Absorption einer Komponente des Arbeitsmittels, das in diesem Fall aus einem Gemisch von mindestens 2 Komponenten gebildet wird, in einem Absorptionsmittel realisiert werden, wobei die frei werdende Absorptionswärme auf die dan fförmig verbleibende zweite Komponente übertragen wird. Die dazu verwendeten Absorptionssysteme können neben den üblichen Wäschersystemen, wie z.B. Venturiwäschern, auch Verdichtersysteme sein, die eine ausreichende Menge an Betriebsflüssigkeit haben, wie die bereits genannten und in ihrer Wirkungsweise erläuterten Flüssigkeitsringpumpen. Eine besonders günstige Ausfuhrungsform der Erfindung für den Wärmepumpenprozess sieht die Verwendung azeotroper Gemische als Arbeitsmittel vor, wobei das Betriebsmittel des Verdichters als Absorptionsmiltel für eine Komponente des Arbeitsmittels wirkt. Das bedeutet, dass das Gemisch ein azeotropes Verhalten zeigt. Wird bei der Verdichtung eine Komponente beim Durchgang des dampfförmigen Arbeitsmittels exü'ahiert, so wird die bei deren Phasenübergang frei werdende Wärme auf die weiterhin dampfförmige Komponente übertragen, wodurch eine zusätzliche Temperaturerhöhung des Arbeitsmittels bewirkt wird. In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Gemisch bei einem bestimmten Mischungsverhältnis der Komponenten ein Azeotrop mit Siedepunktminimum. Bei azeotrop verdampfenden Gemischen mit Siedepunktminimum lassen sich je nach Typ die Verdampfungstemperaturen absenken, so dass diese unter den Kondensationstemperaturen der einzelnen Komponenten liegen. Wird aus dem Dampfgemisch adiabat die erste Komponente absorbiert, so geht die entsprechende Wärme auf die dampfförmig verbleibende zweite Komponente über. Der Entzug der Kondensationswärme kann dadurch auf einem erhöhten Temperaturniveau erfolgen.The temperature increase of the vaporous working medium can also be realized according to the invention in addition to the mechanical compression also by absorption of a component of the working medium, which in this case is formed from a mixture of at least two components, in an absorption medium, the released heat of absorption being reduced to the dan second component remaining in the form of an F is transmitted. The absorption systems used for this purpose can be, in addition to the usual scrubber systems, such as, for example, venturi scrubbers, also compressor systems which have a sufficient amount of operating fluid, such as the liquid ring pumps already mentioned and explained in their mode of operation. A particularly favorable embodiment of the invention for the heat pump process provides for the use of azeotropic mixtures as the working medium, the operating medium of the compressor acting as an absorption medium for a component of the working medium. This means that the mixture shows an azeotropic behavior. If a component is extracted during the passage of the vaporous working medium during compression, the heat released during its phase transition is transferred to the still vaporous component, which causes an additional temperature increase of the working medium. In one embodiment of the invention, the mixture is an azeotrope with a minimum boiling point at a certain mixing ratio of the components. In the case of azeotropically evaporating mixtures with a boiling point minimum, the evaporation temperatures can be reduced, depending on the type, so that they are below the condensation temperatures of the individual components. If the first component is absorbed adiabatically from the vapor mixture, the corresponding heat is transferred to the second component remaining in vapor form. The heat of condensation can thus be withdrawn at an elevated temperature level.
Das Arbeitsmittel, beispielsweise ein azeotropes Gemisch aus Wasser mit Perc oräthylen oder Silikonen, kann zum Beispiel durch Wärmeaustausch mit dem Fluid aus Prozessdämpfen oder erwärmten Prozessflüssigkeiten und/oder Wärmespeichern oder sontigen beliebigen Fluiden verdampft werden. Die Absorption, bei der erfindungsgemäß die anfallende Absorptionswärme auf die zweite dampfförmig verbleibende Komponente übertragen wird, wodurch sich diese Komponente auf ein Temperaturniveau oberhalb der Siedetemperatur des azeotropen Gemisches erwärmt, kann in und/oder nach dem Verdichter erfolgen. Einer der wesentlichen Vorteile ist hierbei, dass das verdichtete Arbeitsmittel durch die Trennung (Absorption) der ersten von der zweiten Komponente sich aufgrund der freiwerdenden Absorptionswärme zusätzlich erwärmt. Das Arbeitsmittel ist vorzugsweise durch ein azeotropes Gemisch mit Siedepunktminimum oder nahezu azeotropes Gemisch gebildet. Im folgenden wird die Erfindung mit einem azeotropen Gemisch beschrieben, selbstverständlich kann die Erfindung ebenfalls auf nahezu azeotrope Gemische beziehungsweise auf nicht azeotrope Gemische bezogen werden. Hohe Wirkungsgrade lassen sich besonders mit einem azeotropen oder einem nahezu azeotropen Gemisch erzielen. Bei einem Einsatz eines azeotropen Gemisches können je nach Typ die Verdampfungstemperaturen abgesenkt werden, so dass diese unter den Verdampfungstemperaturen der einzelnen Komponenten liegen.The working medium, for example an azeotropic mixture of water with perc ethylene or silicones, can be evaporated, for example, by heat exchange with the fluid from process vapors or heated process fluids and / or heat storage or any other fluids. The absorption, in which, according to the invention, the heat of absorption obtained is transferred to the second component remaining in vapor form, as a result of which this component heats up to a temperature level above the boiling point of the azeotropic mixture, can take place in and / or after the compressor. One of the main advantages here is that the compressed working fluid is additionally heated due to the separation (absorption) of the first and second components due to the released heat of absorption. The working medium is preferably formed by an azeotropic mixture with a boiling point minimum or an almost azeotropic mixture. The invention is described below with an azeotropic mixture; of course, the invention can also be applied to almost azeotropic mixtures or to non-azeotropic mixtures. High efficiencies can be achieved particularly with an azeotropic or an almost azeotropic mixture. When using an azeotropic mixture, depending on the type, the evaporation temperatures can be lowered so that they are below the evaporation temperatures of the individual components.
Vorzugsweise ist das Arbeitsmittel ein Lösemittelgemisch, das organische und/oder anorganische Lösemittelkomponenten aufweist. Beispiele hierfür sind etwa Gemische aus Wasser und ausgewählten Silikonen. Vorteilhafterweise kann mindestens eine Komponente auch ein pro- tisches Lösemittel sein.The working medium is preferably a solvent mixture which has organic and / or inorganic solvent components. Examples of this are mixtures of water and selected silicones. Advantageously, at least one component can also be a protic solvent.
Bei einer alternativen Ausführungsform ist das Absorptionsmittel ein reversibles immobilisierbares Lösemittel, das in dem nicht- immobilisierten Aggregatzustand die erste Komponente des Arbeitsmittels ist. Das reversible Lösemittel im siedenden Arbeitsmittel kann sich vorteilhafterweise durch physikalisch-chemische Veränderungen so verändern, in dem es durch Ionisieren oder Komplexbildung aus der Dampfphase von dem nicht- immobilisierten Zustand in den reversibel immobilisierten Zustand verändert werden kann und in der nicht- immobilisierten Form als Absorptionsmittel für das Arbeitsmittel wirkt. Somit -enthält das dampfförmige Arbeitsmittel vor der Verdichtung bereits das Absorptionsmittel (im nicht- immobilisierten Zustand). Das reversibel immobilisierte Lösemittel ist in einem dampfförmigen Aggregatzustand und geht durch physikalischrchemische Veränderungen.- wie zum Beispiel pH- Verschiebung, Verändemng des Molenbruches und der Temperatur in seiner Flüchtigkeit und/oder in seinem Dampfdruck - in den flüssigen Zustand über (vergleichbar mit Dampf als Lösemittel in nicht- immobilisierter Form und Wasser als reversibel immobilisierbares Löse- mittel). Der Vorteil ist hierbei, dass das Arbeitsmittel aus zwei Komponenten besteht, wobei gleichzeitig die eine Komponente im resersiblen immobilisierten Zustand als Absorptionsmittel für die andere Komponente wirkt. Als pH- abhängige reversibel immobilisierbare Lösemittel können beispielsweise zyklische Stickstoffverbindungen - wie Pyridine - eingesetzt werden.In an alternative embodiment, the absorbent is a reversible immobilizable solvent, which is the first component of the working medium in the non-immobilized state. The reversible solvent in the boiling working medium can advantageously change through physico-chemical changes in such a way that it can be changed from the non-immobilized state to the reversibly immobilized state by ionization or complex formation from the vapor phase and in the non-immobilized form as an absorbent works for the work equipment. Thus, the vaporous working medium already contains the absorbent (in the non-immobilized state) before compression. The reversibly immobilized solvent is in a vaporous state and passes through physical-chemical changes - such as pH shift, change in mole fraction and temperature in its volatility and / or in its vapor pressure - into the liquid state (comparable to steam as a solvent in non-immobilized form and water as a reversibly immobilizable solvent medium). The advantage here is that the working fluid consists of two components, with one component simultaneously acting as an absorbent for the other component in the resersible immobilized state. Cyclic nitrogen compounds such as pyridines, for example, can be used as pH-dependent, reversibly immobilizable solvents.
Vorteilhaft ist eine elektrochemische Veränderung durch die oben genante Elektrolyse einer der Komponenten oder eines zugesetzten Elektrolyten zu erreichen. Im ungeladenen beziehungsweise nicht dissoziierten Zustand wird das reversibel immobilisierbare Lösemittel sich als Lösemittelgemisch mit der zweiten Komponente azeotrop verhalten und dem eingestellten Druck- Temperaturniveau entsprechend verdampfen. Verwendet man aber als Waschflüssigkeit das reversibel immobilisierbare Lösemittel in der ionisierten beziehungsweise dissoziierten Form, so kann es in behebiger Menge aufgenommen und in den Verdampfer zurückgegeben werden, um hier wieder deionisiert beziehungsweise undissoziiert in die Verdampfung einzugehen.An electrochemical change can advantageously be achieved by the above-mentioned electrolysis of one of the components or of an added electrolyte. In the uncharged or non-dissociated state, the reversibly immobilizable solvent, as a solvent mixture, will behave azeotropically with the second component and evaporate according to the set pressure-temperature level. However, if the reversibly immobilizable solvent in the ionized or dissociated form is used as the washing liquid, it can be absorbed in a substantial amount and returned to the evaporator in order to be deionized or undissociated again in the evaporation.
Als Absorptionssysteme kommen neben den üblichen Wäschersystemen, wie zum Beispiel Venturiwäscher, auch Verdichter, Pumpen in Frage, die eine ausreichende Menge an Betriebsflüssigkeit aufweisen, wie zum Beispiel Wälzkolbenpumpen mit Einspritzung, Schraubenverdichter, Flüssigkeitsringpumpen oder Flüssigkeitsstrahlpumpen. Durch die Kombination des ?Prozesses mit einem polytropen Verdichtungssystem lassen sich Temperaturen bestimmter Gemische dem Bedarf anpassen, in dem zum Beispiel Abwärme aus einem Ent- spannungsprozess durch volumetrische Förderung des Gases der angebotenen Wärmeleistung entsprechend entzogen wird, ohne auf der Verdampferseite einen Überdruck erzeugen zu müssen. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie aus Fluiden in mechanische Energie kann für sehr unterschiedliche Fluide, die entweder als einkomponentige Fluide oder als Fluidgemische vorhegen, verwendet werden. Auch können die Fluide entweder gasförmig sein oder als Flüssigkeiten vorliegen. Bei gasförmigen Fluiden ist das Vorhandensein kondensierbarer Komponenten, die bei der erfindungsgemäßen Verdampfung eines "ersten" Arbeitsmittels durch Unterschreiten des Taupunktes kondensieren, besonders vorteilhaft, da die dabei freigesetzte Kondensationswärme, die als latente Wärme vorhanden ist, meist das nutzbare Energieangebot deutlich erhöht, weil die latenten Wärmeenergien bei Phasenübergängen kondensierbare Gase meist deutlich höher hegen als die fühlbaren Wärmeenergien bei Permanentgasen, wobei vorteilhaft der Phasenübergang noch bei gleichbleibender Temperatur abläuft.In addition to the usual scrubber systems, such as Venturi scrubbers, absorption systems can also include compressors and pumps that have a sufficient amount of operating fluid, such as Roots pumps with injection, screw compressors, liquid ring pumps or liquid jet pumps. By combining the? Process with a polytropic compression system, temperatures of certain mixtures can be adapted to the requirements, for example by extracting waste heat from a relaxation process by volumetrically conveying the gas according to the heat output, without having to generate excess pressure on the evaporator side , The method according to the invention for converting thermal energy from fluids into mechanical energy can be used for very different fluids which either exist as one-component fluids or as fluid mixtures. The fluids can also be either gaseous or in the form of liquids. In the case of gaseous fluids, the presence of condensable components which condense in the evaporation of a "first" working medium by falling below the dew point is particularly advantageous since the heat of condensation released, which is present as latent heat, usually significantly increases the usable energy supply because the latent heat energies in phase transitions, condensable gases are usually significantly higher than the sensible heat energies in permanent gases, the phase transition advantageously still taking place at a constant temperature.
Beispiele für derartige Fluide können etwa Abluft- oder Abwasserströme aus industriellen Kühl-, Wärmeaustausch- oder Entspannungsprozessen sein.Examples of such fluids can be exhaust air or waste water flows from industrial cooling, heat exchange or relaxation processes.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung betrifft die Umwandlung der Wärmeenergie aus der atmosphärischen Luft mit dem darin als Luftfeuchtigkeit gelösten Wasserdampf.A particularly preferred embodiment of the invention relates to the conversion of the thermal energy from the atmospheric air with the water vapor dissolved therein as atmospheric moisture.
Unter energetischen Gesichtspunkten stellt die Atmosphärenluft mit dem darin gelösten Wasserdampf ein großes, praktisch unerschöpfliches Energiereservoir dar. Entscheidend ist dabei, dass unter Berücksichtigung aktueller meteorologischer Daten dieses Energiereservoir, das von der fühlbaren Wärme der Luft und der latenten Wärme des Wasserdampfes gebildet wird, überall auf der Welt, also standortunabhängig vorhanden ist. Dieses Energiereservoir wird von der Sonneneinstrahlung ständig nachgefüllt. ?Letztlich ist also die Umwandlung der in feuchter Luft enthaltenen Wärmeenergie in mechanische Energie eine indirekte Nutzung der Wärmeenergie aus der Sonnenstrahlung. Der entscheidende Vorteil von Luft mit dem darin als Luftfeuchtigkeit gelösten Wasserdampf als Energiespeicher für die Sonnenstrahlung Hegt in ihrem fluiden Charakter, so dass sie aufgrund natürlicher oder erzeugter Strömung in großen Volumenströmen durch Wärmeaustauschapparate gefuhrt werden kann, so dass die apparatetechnisch nutzbare Menge an Wärmeenergie zeitlich und räumlich von der begrenzten Strahlungsleistung der Sonne entkoppelt werden kann. Damit kann dieses unerschöpfliche und an allen Standorten weltweit gegebene Energiereservoir jederzeit und standortunabhängig technisch genutzt werden.From an energetic point of view, the atmospheric air with the water vapor dissolved in it represents a large, practically inexhaustible energy reservoir. The decisive factor here is that, taking current meteorological data into account, this energy reservoir, which is formed by the sensible heat of the air and the latent heat of the water vapor, is everywhere the world, that is, regardless of location. This energy reservoir is constantly replenished by the sun's rays. Ultimately, the conversion of the thermal energy contained in moist air into mechanical energy is an indirect use of thermal energy from solar radiation. The decisive advantage of air with the water vapor dissolved in it as an energy store for solar radiation lies in its fluid character, so that it can be conducted in large volume flows through heat exchange devices due to natural or generated flow, so that the amount of thermal energy that can be used by the device is temporal and can be spatially decoupled from the limited radiation power of the sun. This means that this inexhaustible energy reservoir, which is available at all locations worldwide, can be used technically at any time and regardless of location.
Mit Bezug auf die vorstehenden Ausführungen sieht eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, die Wärmeenergie aus feuchter Umgebungsluft in einen Verdampfer zur Verdampfung eines geeigneten Arbeitsmittels aufzunehmen und, falls erforderlich nach einer abhängig von den realen Umgebungsbedingungen bei Temperatur und Feuchtigkeit Transformation auf ein höheres Temperatumiveau mit einer oder mehreren Wärmepumpen den Dampf über eine Niederdruck- Entspannungsvorrichtung entsprechend den vorstehenden Ausführungen zu entspannen, wobei zum Teil die Wärmeenergie in mechanische Energie umgewandelt wird und die noch im entspannten Arbeitsmittel enthaltene E- nergie rüclcfuhrbar ist. Dabei werden einerseits die gasförmigen Anteile abgekühlt, andererseits abhängig von den Temperaturniveaus der Wärmeaustauschprozesse die enthaltene Luftfeuchtigkeit zum überwiegenden Teil kondensiert, wobei die hohe Kondensationswärme des Wassers für den Prozess gewonnen wird.With reference to the above statements, a particularly preferred embodiment of the method according to the invention provides for the thermal energy from moist ambient air to be taken up in an evaporator for the evaporation of a suitable working medium and, if necessary, for a transformation to a higher temperature level depending on the real environmental conditions in terms of temperature and humidity to relax the steam with one or more heat pumps via a low-pressure expansion device according to the above statements, the thermal energy being partly converted into mechanical energy and the energy still contained in the relaxed working medium being recyclable. On the one hand, the gaseous components are cooled, and on the other hand, depending on the temperature levels of the heat exchange processes, the air humidity contained is largely condensed, the high heat of condensation of the water being obtained for the process.
Bei hinreichend hohen Umgebungstemperaturen und Luftfeuchtigkeiten sowie der Verwendung von azeotropen Mischungen mit hinreichend niedrigen Siedepunkten als Arbeitsmittel kann die Umwandlung vorteilhafterweise auch ohne Zwischenschaltung einer Wärmepumpe realisiert werden. Der mittlere Arbeitsziffer der erfindungsgemäßen Anlage zur Umwandlung von Wärmeenergie von Fluiden in mechanische Energie bei einer Ausgangs -Fluidtemperatur von 25° C ermittelt über 24 Stunden macht 2,5 bis 12 aus. Die mittlere Arbeitsziffer kann für erfindungsgemäße Anlagen 3 bis 10 oder 4 bis 8 ausmachen. Bevorzugt hegt die mittlere Arbeitsziffer für erfindungsgemäße Anlagen bei 5 bis 6.With sufficiently high ambient temperatures and atmospheric humidity and the use of azeotropic mixtures with sufficiently low boiling points as working medium, the conversion can advantageously also be carried out without the interposition of a heat pump. The average working figure of the system according to the invention for converting thermal energy from fluids into mechanical energy at an initial fluid temperature of 25 ° C. over a period of 24 hours is 2.5 to 12. The average working digit can be 3 to 10 or 4 to 8 for systems according to the invention. The average working digit for systems according to the invention is preferably 5 to 6.
Arbeitsziffern oberhalb von 4 kann man beispielsweise durch die Verwendung von Absorptionswärmepumpen und/oder Wärmepumpen mit Flüssigkeitsüberlagerten Verdichtersystemen erreichen, wie beispielsweise in der PCT/EP2004/053651 beschrieben sind, auf die hier im vollem Umfang Bezug genommen wird.Working figures above 4 can be achieved, for example, by using absorption heat pumps and / or heat pumps with liquid-superimposed compressor systems, as described, for example, in PCT / EP2004 / 053651, to which reference is made in full here.
Der Gesamtwirkungsgrad der erfindungsgemäßen Anlage zur Umwandlung von Wärmeenergie von Fluiden in mechanische Energie bei einer Ausgangs-Fluidtemperatur von 25° C ermittelt über 24 Stunden hegt vorzugsweise bei > 40%, bevorzugt > 50% und besonders bevor- zugtbei > 60% *The overall efficiency of the system according to the invention for converting thermal energy from fluids into mechanical energy at an initial fluid temperature of 25 ° C. determined over 24 hours is preferably> 40%, preferably> 50% and particularly preferably> 60% *
Es lassen sich beispielsweise 15% bis 40%, vorzugsweise 20% bis 35% und bevorzugt 25% bis 30%, der freiwerdenden Energie durch die Entspannung des Arbeitsmittels an der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung für die Umsetzung in mechanische Energie nutzen.For example, 15% to 40%, preferably 20% to 35% and preferably 25% to 30%, of the energy released can be used for the conversion into mechanical energy by relaxing the working medium on the low-pressure expansion device.
Bei der Energiegewinnung aus der Luft können erfindungsgemäße Anlagen Luftmengen von 1,6 m3 h bis 160.000 m? h Energie entziehen. Es können natürlich noch wesentlich größeren Luftmengen Energie entzogen werden. Als wirtschaftlich für einen Haushalt hat sich jedoch eine Dimensionierung im Bereich von 160 n^ h bis 1.600 ιr?/h erwiesen.When generating energy from the air, systems according to the invention can handle air quantities from 1.6 m 3 h to 160,000 m? h Withdraw energy. Of course, much larger amounts of air can be extracted from energy. Dimensioning in the range from 160 n ^ h to 1,600 ιr? / H has proven to be economical for a household.
Aus Luftmengen von 16 n^ h bis 160.000 mP/h mit 25° C lassen sich beispielsweise mit erfindungsgemäßen Anlagen 0,1 KW bis 1000 KW Strom erzeugen. Mit erfindungsgemäßen Anlagen lassen sich aus Luftmengen von 160 rrι/h mit 25° C beispielsweise 1 KW Strom und aus Luftmengen von 1600 mP h mit 25° C lassen sich beispielsweise 10 KW Strom erzeugen.From air volumes of 16 n ^ h to 160,000 mP / h at 25 ° C, 0.1 kW to 1000 KW of electricity can be generated, for example, with systems according to the invention. With systems according to the invention, for example, 1 KW of electricity can be generated from air quantities of 160 r / h at 25 ° C and 10 KW of electricity can be generated from air quantities of 1600 mP h at 25 ° C.
Die erfindungsgemäßen Anlagen können natürlich allen Arten von Gasen und/oder Flüssigkeiten Energie entziehen, soweit diese die Anlage nicht schädigen. Gase zur Energiegewinnung können beispielsweise ab einer Temperatur von mindestens 15° C bis zu 250° C oder sogar bis 350° C oder noch darüber genutzt werden. Gase mit lohen Temperaturen fallen üblicherweise als Prozessgase an. Temperaturen von 300° C oder darüber fallen bei Betriebsmitteln wie Öle oder dergleichen an.The systems according to the invention can of course extract energy from all types of gases and / or liquids, provided that these do not damage the system. Gases for energy generation can be used, for example, from a temperature of at least 15 ° C up to 250 ° C or even up to 350 ° C or even higher. Gases with low temperatures are usually obtained as process gases. Temperatures of 300 ° C or higher occur with equipment such as oils or the like.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist es jedoch die Wärmeenergie von Umgebungsluft zu nutzen, die üblicherweise mindestens 15° C bis zu 50° C, vorzugsweise 20° C bis 40° C und bevorzugt 25° C bis 35° C ausmacht.According to the invention, however, it is preferred to use the thermal energy of ambient air, which is usually at least 15 ° C. to 50 ° C., preferably 20 ° C. to 40 ° C. and preferably 25 ° C. to 35 ° C.
Bei den erfindungsgemäßen Anlagen kann es vorteilhaft sein, wenn die Temperatur Tl des Arbeitsmittels vor der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung höher ist, als die Temperatur T2 des Arbeitsmittels nach der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung und vor der Absorptionsvorrichtung. Hingegen ist die Temperatur T3 des Arbeitsmittels in der Verdampfereinheit höher als die Temperatur T2 des Arbeitsmittels nach der Niederdruck- Entspannungsvoπichtung und vor der Absorptionsvorrichtung.In the systems according to the invention, it can be advantageous if the temperature T1 of the working medium upstream of the low-pressure relaxation device is higher than the temperature T2 of the working medium downstream of the low-pressure relaxation device and upstream of the absorption device. On the other hand, the temperature T3 of the working medium in the evaporator unit is higher than the temperature T2 of the working medium after the low-pressure expansion device and before the absorption device.
Die Temperatur des Arbeitsmittels im Verdampfer ?kann 10° C bis 250° C, vorzugsweise 20° C bis 200° C, bevorzugt 30° C bis 150° C, weiter bevorzugt 40° C bis 130° C und besonders bevorzugt 50° C bis 100° C aus. Am meisten bevorzugt liegt die Temperatur des Arbeitsmittels im Verdampfer oberhalb der Siedetemperatur. Der Druck des Arbeitsmittels vor der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung kann im Bereich von 0,3 bar bis 15 bar liegen. Höhere Drücke sind möglich, allerdings bedürfen derartige Anlagen einen erhöhten Materialaufwand, so dass das Arbeitsmittel in der Zuleitung vom Verdampfer zu der Niederdnick-Entspannungsvoπichtung vorzugsweise im Bereich von 1 bar bis 10 bar, weiter bevorzugt im Bereich von 1,5 bar bis 8 bar, noch bevorzugt im Bereich von 2 bar bis 6 bar und außerdem bevorzugt im Bereich von 3 bar bis 4 bar, liegen.The temperature of the working medium in the evaporator can be 10 ° C to 250 ° C, preferably 20 ° C to 200 ° C, preferably 30 ° C to 150 ° C, more preferably 40 ° C to 130 ° C and particularly preferably 50 ° C to 100 ° C. Most preferably, the temperature of the working medium in the evaporator is above the boiling point. The pressure of the working medium upstream of the low-pressure expansion device can be in the range from 0.3 bar to 15 bar. Higher pressures are possible, but such systems require more material, so that the working fluid in the supply line from the evaporator to the low-pressure expansion device is preferably in the range from 1 bar to 10 bar, more preferably in the range from 1.5 bar to 8 bar, more preferably in the range from 2 bar to 6 bar and more preferably in the range from 3 bar to 4 bar.
Die Druckdifferenz ΔP des Arbeitsmittels vor der Niederdruck- Entspannungsvorrichtung und unmittelbar nach der Entspannung des Arbeitsmittels aber vor der Absorptionseinrichtung sollte ΔP 0,1 bar bis 5 bar, vorzugsweise sollte ΔP 0,5 bar bis 3 bar und bevorzugt sollte ΔP 0,75 bar bis 1 bar ausmachen.The pressure difference ΔP of the working medium in front of the low-pressure expansion device and immediately after the relaxation of the working medium but in front of the absorption device should be ΔP 0.1 bar to 5 bar, preferably ΔP 0.5 bar to 3 bar and preferably ΔP 0.75 bar to Make 1 bar.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf Figur 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im einzelnen beschrieben wird. Dabei können die in den Ansprüchen und der Beschreir bung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigtFurther advantages, features and details of the invention result from the following description, in which an embodiment of the invention is described in detail with reference to FIG. 1. The features mentioned in the claims and the description can be essential to the invention individually or in any combination. It shows
Figur 1 eine Anlage zur Umwandlung von Wärmeenergie aus feuchter Umgebungsluft in mechanische Energie.Figure 1 shows a system for converting thermal energy from humid ambient air into mechanical energy.
Hierbei wird eine Ausführungsform mit einer vorgeschalteten, mechanisch angetriebenen Wärmepumpe und einer Niederdruck-Entspannung mit einem azeotropen Gemisch als Arbeitsmittel zugrundegelegt. Mit Hilfe eines Ventilators (1) wird eine erzwungene Luftströmung in einem Wärmetauscher (2) abgekühlt. Um den Wirkungsgrad des Prozesses zu verbessern, kann die Zuluft in einem Luft-Luft- Wärmetauscher (3) durch Wärmetausch mit der abgekühlten Luft vorgekühlt werden.This is based on an embodiment with an upstream, mechanically driven heat pump and a low-pressure expansion with an azeotropic mixture as the working medium. A forced air flow in a heat exchanger (2) is cooled with the aid of a fan (1). In order to improve the efficiency of the process, the supply air can be pre-cooled in an air-air heat exchanger (3) by exchanging heat with the cooled air.
Der Wärmetauscher (2) dient als Verdampfereinheit einer Wärmepumpe, die als weitere Funktionsbausteine den Verdichter (4), die Wärme austauscheinheit (5), die als Kondensator der Wärmepumpe fungiert, sowie das Entspannungsventil (6) bildet.The heat exchanger (2) serves as an evaporator unit of a heat pump, which forms the compressor (4), the heat exchange unit (5), which acts as a condenser of the heat pump, and the expansion valve (6) as further functional modules.
Mit der Wärmepumpe wird die im Verdampfer (2) aus der Kondensation der Luftfeuchtigkeit, zusätzlich zu der Abkühlung der Luft, gewonnene Energie auf ein höheres Temperaturniveau transformiert und gibt in der Wärmeaustauscheinheit (5) durch Kondensation die Wärme auf diesem hohen Temperaturniveau ab. Die freigesetzte Energie wird zur Verdampfung eines azeotropen Gemisches genutzt, das als Arbeitsmittel eines energetischen K?reisprozesses ver- wendet wird. Der in der Verdampfereinheit (7) aus dem azeotropen Gemisch hergestellte Brüden wird über eine Niederdruck- Entspannungsvorrichtung (8) entspannt, wobei an der Welle eine mechanische Kraft auftritt, die mit Hilfe des Generators (9) in Strom umgewandelt wird.With the heat pump, the energy obtained in the evaporator (2) from the condensation of the air humidity, in addition to the cooling of the air, is transformed to a higher temperature level and in the heat exchange unit (5) releases the heat at this high temperature level by condensation. The energy released is used to vaporize an azeotropic mixture that is used as a working medium in an energetic cir- cular process. The vapor produced in the evaporator unit (7) from the azeotropic mixture is expanded via a low-pressure expansion device (8), a mechanical force occurring on the shaft, which is converted into electricity with the aid of the generator (9).
Der entspannte Brüden wird in einem nachgeschalteten Wäscher (10) getrennt, in dem das oben in den Wäscher (10) eingespritzte Absorbens eine der Komponenten absorbiert. Die dabei frei werdende Absorptionswärme wird auf die andere, dampfförmig bleibende Komponente übertragen, wodurch der Restbrüden auf ein Temperaturniveau oberhalb der Siedetemperatur des azeotropen Gemisches erwärmt wird. Der Restbrüden gibt seine Kondensationswärme in der Wärmeaustauschereinheit (13) ab, die in der Verdampfereinheit (7) integriert ist. Die in (13) verflüssigte Komponente wird mit Hilfe der Pumpe (14) zurück in den Spei- eher für das azeotrope Gemisch transportiert, und steht hier zur Vermischung mit der anderen Komponente erneut zur Verfügung.The relaxed vapor is separated in a downstream scrubber (10) in which the absorbent injected into the scrubber (10) at the top absorbs one of the components. The heat of absorption released in this process is transferred to the other component remaining in vapor form, as a result of which the residual vapor is heated to a temperature level above the boiling point of the azeotropic mixture. The residual vapor releases its heat of condensation in the heat exchanger unit (13), which is integrated in the evaporator unit (7). The component liquefied in (13) is returned to the storage tank by means of the pump (14). rather transported for the azeotropic mixture, and is available here again for mixing with the other component.
Die im Wäscher absorbierte Komponente wird mit Hilfe der Pumpe (11) einem Membranfilter (12) zugeleitet, in dem diese Komponente von der Absorptionsflüssigkeit wieder getrennt wird. Der mit der Pumpe (11) erzeugte Druck reicht aus, das Absorbens einerseits wieder dem Wäscher zuzuführen, andererseits die 2. Komponente der Verdampfereinheit (7) zuzuführen. Dabei werden die beiden Komponenten im Speicherraum der Verdampfereinheit wieder miteinander vermischt.The component absorbed in the scrubber is fed with the aid of the pump (11) to a membrane filter (12) in which this component is separated again from the absorption liquid. The pressure generated by the pump (11) is sufficient to return the absorbent to the scrubber on the one hand and to feed the second component of the evaporator unit (7) on the other. The two components in the storage space of the evaporator unit are mixed together again.
Zur Herstellung des Treibdampfes aus dem azeotropen Gemisch tragen also 2 Energieanteile bei: Einerseits die mit der Wärmepumpe (2, 4, 6, 5) aus der abgekühlten Luft und der kondensierten Luftfeuchtigkeit gewonnene und auf das hohe Temperaturniveau der Verdampfung transformierte Energie, andererseits die im energetischen Kreisprozess nach der Entspannung zurückgeführte Absorptionsenergie aus der Treibdampftrennung des aus einem azeotropen Gemisch erzeugten Brüden. Diese Rückführung der Energie stellt erfindungsgemäß den guten Wirkungsgrad der S romgewinnung aus Luft sicher.Two energy components therefore contribute to the production of the motive steam from the azeotropic mixture: On the one hand, the energy obtained with the heat pump (2, 4, 6, 5) from the cooled air and the condensed air humidity and transformed to the high temperature level of the evaporation, and on the other hand the energy energetic cycle after the relaxation, absorption energy returned from the motive steam separation of the vapor generated from an azeotropic mixture. According to the invention, this return of the energy ensures the good efficiency of the extraction of air from air.
Für den Antrieb des Verdichters (4) der Wärmepumpe kann in einer günstigen Ausführungsform auch ein Motor verwendet werden, der entweder mit Diesel oder Erdgas oder auch mit biogenen Kraftstoffen, wie z.B. Biogas, Rapsöl oder Bio-Diesel u.a., betrieben wird. In dieser Variante kann ein zusätzlicher Energieanteil für die Verdampfereinheit (7) aus der Motorabwärme oder der Abgaswärme des Motors (16) gewonnen werden. Mit einer solchen Anordnung wird zum einen der Wirkungsgrad des Gesamtprozesses weiter verbessert, zum anderen soll diese Anordnung das "Anfahren der Anlage" vereinfachen. Bezugszeichen listeIn a favorable embodiment, a motor can also be used to drive the compressor (4) of the heat pump, which is operated either with diesel or natural gas or also with biogenic fuels, such as, for example, biogas, rapeseed oil or bio-diesel. In this variant, an additional energy component for the evaporator unit (7) can be obtained from the engine waste heat or the exhaust gas heat of the engine (16). With such an arrangement, on the one hand, the efficiency of the overall process is further improved, and on the other hand, this arrangement is intended to simplify “starting up the system”. Reference numerals list
1 Ventilator1 fan
2 Wärmetauscher, Verdampfer 12 heat exchangers, evaporators 1
3 Luft-Luft- Wärmetauscher (Vorkühler)3 air-air heat exchangers (pre-cooler)
4 Verdichter4 compressors
5 Wärmeaustauscheinheit5 heat exchange unit
6 Entspannungsventil6 expansion valve
7 Verdampfereinheit, Verdampfer 27 evaporator unit, evaporator 2
8 Entspannungsvorrichtung, Wälzkolbengebläse8 expansion device, Roots blower
9 Generator9 generator
10 Wäscher, Absorptionsvorrichtung10 washers, absorption device
11 Pumpe11 pump
12 Trennvorrichtung, Membranfilter12 separator, membrane filter
13 • < • Wärmeaustauschereinheit13 • <• Heat exchanger unit
14 Pumpe14 pump
15 Motor /BHKW15 engine / CHP
16 Zuleitung 16 supply line

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie aus einem Fluid in mechanische E- nergie durch Entspannung eines dampfförmigen Arbeitsmittels in einer mit einem Verdampfer (7) verbundenen Entspannungsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmeenergie durch Wärmeaustausch in einem Verdampfer (7) ein Arbeitsmittel verdampft und/oder dass Wärmeenergie mittels wenigstens einer oder mehreren hintereinander geschalteten Wärmepumpen auf ein höheres Temperaturniveau transformiert wird, um durch Wärmeaustausch das Arbeitsmittel in dem Verdampfer (7) zu verdampfen, wobei das dampfförmige Arbeitsmittel ein aus mindestens zwei Komponenten gebildetes dampfförmiges Gemisch ist und in einer Niederdruck- Entspannungs Vorrichtung (8) entspannt wird, wobei die bei der Entspannung freiwerdende Energie des Arbeitsmittel teilweise in mechanische Energie umgewandelt wird, und wobei wenigstens eine zweite dampfförmige Komponente nach der Niederdruck- Entspannung eine Temperaturerhöhung erfährt und wenigstens einer ersten Komponente des Arbeitsmittels Energie entzogen wird, so dass die in der entspannten, dampfförmigen, temperaturerhöhten zweiten Komponente/n des Arbeitsmittels enthaltene Energie in den Verdampfer ruckfuhrbar ist und zur Verdampfung von zusätzlichem Arbeitsmittel nutzbar ist.1. A method for converting thermal energy from a fluid into mechanical energy by expanding a vaporous working medium in a expansion device connected to an evaporator (7), characterized in that thermal energy evaporates a working medium by heat exchange in an evaporator (7) and / or that thermal energy is transformed to a higher temperature level by means of at least one or more heat pumps connected in series in order to evaporate the working medium in the evaporator (7) by heat exchange, the vaporous working medium being a vaporous mixture formed from at least two components and in a low-pressure expansion Device (8) is expanded, the energy of the working medium released during the expansion being partially converted into mechanical energy, and at least one second vaporous component experiencing a temperature increase after the low-pressure expansion and energy is withdrawn from at least a first component of the working medium, so that the energy contained in the relaxed, vaporous, temperature-raised second component / s of the working medium can be returned to the evaporator and can be used to evaporate additional working medium.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der benötigten Energie, vorzugsweise die gesamte Energie, die zur Temperaturerhöhung der zweiten Komponente/n nach der Niederdruck-Entspannung erforderlich ist, durch die bei einer Absorption und/oder Adsorption freiwerdende Energie gewinnbar ist. 2. The method according to claim 1, characterized in that at least a part of the energy required, preferably the total energy required to raise the temperature of the second component / s after the low-pressure relaxation, by the energy released during absorption and / or adsorption is recoverable.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel durch ein Gemisch gebildet ist und eine erste Komponente in und/oder nach der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung mittels eines Absorptionsmittels absorbiert wird, wobei Wärme auf die dampfförmig verbleibende zweite Komponente übergeht, die rückfühürbar ist.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the working medium is formed by a mixture and a first component is absorbed in and / or after the low-pressure expansion device by means of an absorbent, wherein heat is transferred to the remaining vaporous second component, the is traceable.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch bei einem bestimmten Mischungsverhältnis der Komponenten ein Azeotrop mit Siedepunktminimum bildet.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the mixture forms an azeotrope with a minimum boiling point at a certain mixing ratio of the components.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitmittel als azeotropes Gemisch oder als Gemisch mit einer Siedepunkterniedrigung, bezogen auf den Siedepunkt der Komponente mit dem höchsten Siedepunkt, vorliegt, wobei Arbeitsmittel in Form von Gemischen bevorzugt sind die eine Siedepunktemiedrigung von mindestens 5° C, bevorzugt von mindestens 10° C, weiter bevorzugt von mindestens 15° C, noch weiter bevorzugt von mindestens 20° C und am meisten bevorzugt von mindestens 25° C aufweisen.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the working medium is present as an azeotropic mixture or as a mixture with a lowering of the boiling point, based on the boiling point of the component with the highest boiling point, whereby working means in the form of mixtures are preferred which have a lowering of the boiling point at least 5 ° C, preferably at least 10 ° C, more preferably at least 15 ° C, even more preferably at least 20 ° C and most preferably at least 25 ° C.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorption der ersten Komponente/n so gesteuert wird, dass die dampfförmig verbleibende zweite Komponente/n auf eine Temperatur oberhalb der Siedetemperatur des Gemisches erwärmt wird, und die zweite Komponente/n in einem Wärmetauscher kondensiert wird, wodurch die Verdampfung des Arbeitsmittels erfolgt. 6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the absorption of the first component / s is controlled so that the vaporous second component / s is heated to a temperature above the boiling point of the mixture, and the second component / n in a heat exchanger is condensed, whereby the evaporation of the working fluid takes place.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel ein Lösemittelgemisch mit geringer molarer Verdampfungsenthalpie ist, das organische und/oder anorganische Lösemil- telkomponenten aufweist, wobei eine der Komponenten ein protisches Lösemittel sein ?kann.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the working medium is a solvent mixture with low molar enthalpy of vaporization, which has organic and / or inorganic solvent components, wherein one of the components can be a protic solvent.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Absorptionsmittel ein reversibel immobihsierbares Lösemittel ist, das in dem nicht- immobilisierten Aggregatzustand die erste Komponente des Arbeitsmittels ist.8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the absorbent is a reversibly immobilizable solvent which is the first component of the working medium in the non-immobilized state of aggregation.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel ein Gemisch aus Wasser und Silikon ist.9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the working fluid is a mixture of water and silicone.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Absorptionsmittel eine Silikatlösung ist.10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the absorbent is a silicate solution.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruck- Entspannungsvorrichtung ein Wälzkolbengebläse ist.11. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the low-pressure expansion device is a Roots blower.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzkolbengebläse mit mindestens einer Einspritzöffnung ausgefühlt ist, durch die ein Absorptionsmittel oder ein protisches Lösemittel in das Wälzkolbengebläse bringbar ist. 12. The method according to claim 11, characterized in that the roots blower is filled with at least one injection opening through which an absorbent or a protic solvent can be brought into the roots blower.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederdruck- Entspannungsvorrichtung eine Ab- sorptionsvorrichtung nachgeschaltet ist, in der die erste Komponente/n des Arbeitsmittels absorbiert wird, wobei die Absorptionsvorrichtung bevorzugt als Wäscher ausgeführt ist.13. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the low-pressure relaxation device is followed by an absorption device in which the first component / s of the working fluid is absorbed, the absorption device preferably being designed as a washer.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trennanordnung die absorbierte erste Komponente/n vom Absorptionsmittel trennt.14. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a separation arrangement separates the absorbed first component / s from the absorbent.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennanordnung als Membransystem ausgebildet ist.15. The method according to claim 14, characterized in that the separation arrangement is designed as a membrane system.
16. Verfahren nach Anspruch 14,« dadurch gekennzeichnet, dass die Trennanordnung als Austreiberaggregat ausgeführt ist, in dem die absorbierte erste Komponente durch Erwärmen desorbiert wird.16. The method according to claim 14, characterized in that the separating arrangement is designed as an expulsion unit in which the absorbed first component is desorbed by heating.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Absorptionsmittel mit einer Pumpe in die Trenneinrichtung und anschließend zurück zum Wäscher gefördert wird.17. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the absorbent is conveyed with a pump into the separation device and then back to the washer.
18. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe von einem mechanischen Verdampfer oder einem flüssigkeitsüberlagerten Verdichtersystem angetrieben wird. 18. The method according to claim 1, characterized in that the heat pump is driven by a mechanical evaporator or a liquid-superimposed compressor system.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe als Absorptionswärmepumpe mit einem azeotropen Gemisch ausgebildet ist, bei der die Temperaturerhöhung durch Absorption einer Komponente und Übertragen der Absorptionsenergie auf die dampfförmig verbleibende zweite Komponente erfolgt.19. The method according to claim 18, characterized in that the heat pump is designed as an absorption heat pump with an azeotropic mixture, in which the temperature increase takes place by absorption of a component and transfer of the absorption energy to the vapor component remaining.
20. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid ein ein- oder mehrkomponentiges Gas oder eine ein- oder mehrkomponentige Hüssigkeit ist.20. The method according to claim 1, characterized in that the fluid is a single or multi-component gas or a single or multi-component liquid.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid eine Gas- oder Flüssigkeitsströmung aus industriellen Kühl-, Wärmeaustausch-, Umwandlungs- oder Entspannungsprozessen ist.21. The method according to claim 20, characterized in that the fluid is a gas or liquid flow from industrial cooling, heat exchange, conversion or relaxation processes.
22. Verfahreij, nach Anspruch 1 und 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Huid atmosphärische Umgebungsluft mit dem darin als Luftfeuchtigkeit gelösten Wasserdampf ist.22. Verfahreij, according to claim 1 and 20, characterized in that the Huid is atmospheric ambient air with the water vapor dissolved therein as atmospheric moisture.
23. Verfahren nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeenergie aus fühlbarer und/oder latenter Wärme einzelner oder mehrerer Komponenten zusammengesetzt ist.23. The method according to any one of the claims, characterized in that the thermal energy is composed of sensible and / or latent heat of individual or several components.
24. Anlage zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie, dadurch gekennzeichnet, dass sie folgende Komponenten umfasst: a) eine Verdampfereinheit (7), in der ein Arbeitsmittel, das durch ein Gemisch gebildet ist, verdampfbar ist, b) eine Niederdruck-Entspannungsvorrichtung (8), c) eine Absorptionsvorrichtung (10) und/oder Adsorptionsvorrichtung (10), die in der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung (8) integriert ist und/oder der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung (8) nachgeschaltet ist, d) eine Trennvorrichtung (12), die als Membransystem oder thermisches Austreibersystem ausgebildet ist, in der die absorbierte Komponente vom Absorptionsmittel gelrennt wird, und eine Pumpe, mit der das Absorptionsmittel zur Trennvorrichtung (12) und zurück zur Absorptionsvorrichtung (10) gefördert wird, e) wenigstens eine Energiequelle die mit der Verdampfereinheit (7) in Kontakt steht, mittels derer Wärmeenergie erzeugbar ist, die von einem Fluidstrom im Verdampfer (1) aufgenommen wird, um den Fluidstrom auf ein höheres Temperaturniveau zu transformieren.24. Plant for converting thermal energy into mechanical energy, characterized in that it comprises the following components: a) an evaporator unit (7) in which a working medium which is formed by a mixture can be evaporated, b) a low-pressure expansion device ( 8th), c) an absorption device (10) and / or adsorption device (10) which is integrated in the low-pressure relaxation device (8) and / or the low-pressure relaxation device (8) is connected downstream, d) a separating device (12), which acts as a membrane system or thermal expulsion system in which the absorbed component is separated from the absorbent, and a pump with which the absorbent is conveyed to the separating device (12) and back to the absorbing device (10), e) at least one energy source which is connected to the evaporator unit (7 ) is in contact, by means of which heat energy can be generated, which is absorbed by a fluid stream in the evaporator (1) in order to transform the fluid stream to a higher temperature level.
25. Anlage nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle/n eine Wärmepumpe, eine Brenn-«. stoffzeUe und oder Solaranlage ist25. Plant according to claim 24, characterized in that the energy source / s a heat pump, a combustion «. is fabric and or solar system
26. Anlage nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruck- Entspannungsvorrichtung ein Wälzkolbengebläse ist.26. Plant according to claim 24 or 25, characterized in that the low-pressure expansion device is a Roots blower.
27. Anlage nach Anspruch 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trennanordnung die absorbierte erste Komponente vom Absorptionsmittel trennt. 27. Plant according to claim 24 to 26, characterized in that a separation arrangement separates the absorbed first component from the absorbent.
28. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Niederdruck-Entspannungsvorrichtung mit einem Generator verbunden ist (9), der mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt.28. Plant according to one of the preceding claims, characterized in that the low-pressure expansion device is connected to a generator (9) which converts mechanical energy into electrical energy.
29. Anlage nach Anspruch 24 bis 28, die nach einem der genannten Verfahren betreibbar ist.29. Plant according to claim 24 to 28, which can be operated according to one of the methods mentioned.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei das Verfahren einen zusätzlichen Verfahrensschritt aufweist, bei dem das bei der Verwendung von Wärmepumpe/n auftretende Kondensat- Wasser in einem zusätzlichen Verfahrens schritt zu Brauchwasser und/oder zu Wasser mit Trinkwasserqualität aufbereitet wird. 30. The method according to any one of claims 1 to 23, wherein the method has an additional process step in which the condensate water occurring when using heat pump / s is processed in an additional process step to process water and / or water with drinking water quality.
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