EP1866522A1 - Verfahren zur umwandlung von wärmeenergie in mechanische energie mit hohem wirkungsgrad - Google Patents

Verfahren zur umwandlung von wärmeenergie in mechanische energie mit hohem wirkungsgrad

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EP1866522A1
EP1866522A1 EP05733484A EP05733484A EP1866522A1 EP 1866522 A1 EP1866522 A1 EP 1866522A1 EP 05733484 A EP05733484 A EP 05733484A EP 05733484 A EP05733484 A EP 05733484A EP 1866522 A1 EP1866522 A1 EP 1866522A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
component
energy
mixture
heat
evaporator
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05733484A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Rannow
Erwin Oser
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 EP1866522A1 publication Critical patent/EP1866522A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/06—Plants 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/06—Plants 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
    • F01K25/065—Plants 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours

Definitions

  • the invention relates to a process for the conversion of thermal energy into mechanical energy with high efficiency, in which in a vaporizer a first component (s) is vaporized together with a second component (s) which are expanded in an expansion device, thermal energy being at least partially converted into mechanical energy is converted. Furthermore, the invention relates to a system for converting heat energy into mechanical energy. From the prior art, a variety of devices and methods for recovering mechanical energy are known. There are, for example, thermal power plants are known in which in a boiler, a working fluid, eg steam at a high pressure isobarically heated to the boiling point, evaporated and then i ⁇ a superheater is still overheated.
  • a working fluid eg steam at a high pressure isobarically heated to the boiling point
  • the steam is then adiabatically expanded in a turbine while performing work and liquefied in a condenser with heat release.
  • the liquid is pressurized by a feed water pump and returned to the boiler.
  • a disadvantageous feature of the known relaxation processes for the conversion of heat energy into mechanical energy is that the condensation heat arising from the condensation of the working fluid is obtained as waste heat due to the process, whereby the efficiency is adversely affected.
  • Cogeneration plants are usually operated according to the priority of the useful energy in so-called “current-controlled” or “heat-managed” mode of operation.
  • these modes of operation are compromises: if the focus is on heat, then electricity generation depends on the actual heat consumption, and if electricity generation is in the foreground, the associated heat of condensation must be removed, regardless of whether it is actually needed in thermal engineering processes or whether, as in the case of the large power stations for power generation, it must be run off as waste heat.
  • the invention has for its object to provide a method and apparatus for converting heat energy into mechanical energy with high efficiency available, and to avoid at least one of the aforementioned disadvantages.
  • a method for the conversion of thermal energy into mechanical, electrical and / or thermal energy with high efficiency by relaxation of a gaseous mixture in an expansion device (4) connected to an evaporator (3) is provided, according to
  • a separating device (2) At least a first component of a mixture with the supply of heat energy from an energy source (1) expelled and into a Evaporator (3) is transferred, wherein the mixture comprises at least a first component and at least one expulsion means, wherein the expulsion means is fed separately to an expeller scrubber (6),
  • the mixture formed from the expelled first component (s) and the second component (s) is fed and vented as vapor in the form of a compressed gas to at least one low-pressure expansion device (4), the energy released during the expansion being partially converted into mechanical, electrical and / or thermal energy is convertible,
  • the relaxed mixture is supplied to at least one Austrreibericascher (6), wherein the Austreibungssch is added to the mixture, wherein the first component and the Austreibungsstoff form a mixture with the release of heat energy, while at least a first component of the mixture energy is removed and the second component / n thereby undergoes a temperature increase and separated from the mixture,
  • mixture means a composition comprising at least one first component and at least one second component, hereinafter referred to as the working agent.
  • the working medium is preferably present as an azeotropic mixture or as a mixture with a boiling point reduction, based on the boiling point of the component with the highest boiling point, wherein working materials in the form of mixtures are preferred which have a boiling point reduction of at least 5 ° C, preferably of at least 10 ° C. , more preferably at least 15 ° C, even more preferably at least 20 ° C, and most preferably of at least 25 ° C, based on the boiling point of the component with the highest boiling point.
  • Azeotropic mixtures which can be suitably used according to 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 acetate, 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.
  • Equally suitable azeotrope mixtures useful in this invention may also be multicomponent systems, i. these azeotrope mixtures comprise at least three components, or at least four components.
  • all the azeotrope mixtures known in the literature, to which reference is made in this context in the full list, can be used as far as they are suitable according to the invention.
  • the first component (s) can be selected from the group comprising water, alcohol, acid, ketone, aldehyde and / or silicone, wherein the mixture comprising first and second components is particularly preferably an aqueous silicone solution.
  • the use of water as at least a first component is advantageous because the heat of condensation of water, i. from gas to liquid is particularly high.
  • the heat energy released in this case can be used advantageously for heating the second component (s).
  • one component preferably the second component, has a low volume-specific or low molar enthalpy of vaporization. This ensures that a large amount of motive steam is generated with a given amount of heat energy.
  • at least one component of the working medium, preferably the second component may preferably have a boiling point in the range from 20 ° C to 250 ° C, preferably from 40 ° C to 200 ° C, preferably from 60 ° to 150 ° C, more preferably from 80 ° C - 120 ° C, and most preferably from 90 ° C to 100 ° C.
  • At least one component of the working medium may preferably have a molar heat of vaporization in the range of 5 KJ / mol-15 KJ / mol, preferably 6 KJ / mol-14 KJ / mol, preferably 7 KJ / mol-13 KJ / mol, more preferably 8 KJ / mol - 12 KJ / mol, and most preferably 9 KJ / mol - 10 KJ / mol.
  • At least one component of the working medium may according to the invention 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 fluid is a solvent mixture comprising organic and / or inorganic solvent components.
  • solvent mixtures include mixtures of water and silicones.
  • Silicones and / or derivatives thereof which can preferably be used according to the invention have a boiling point in the range from 20 ° C.-250 ° C., preferably from 40 ° C. to 200 ° C., preferably from 60 ° C. to 150 ° C., more preferably from 80 ° C. 120 ° C and most preferably from 90 ° C to 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 7 KJ / mol - 13 KJ / mol, more preferably 8 KJ / mol - 12 KJ / mol, and most preferably 9 KJ / mol - 10 KJ / mol.
  • Silicones and / or derivatives thereof which may preferably be used according to the invention may 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 fluid may comprise a mixture of water and at least one or more SiI / kon.
  • At least one component preferably the first component, can be a protic solvent.
  • mixture means a composition comprising at least a first component and at least one expulsion agent.
  • Propellants 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.
  • the expulsion means have a significantly higher evaporation point than the first component (s) and second component (s).
  • the evaporation point of the expelling agent is chosen so high that in the thermal separation of the mixture only the first component is evaporated and the expulsion means, also referred to as absorbent and / or adsorbent, remains in the separator.
  • the absorbent is an alkaline silicate solution, wherein the absorbed in the alkaline silicate solution water of the first component is desorbed, for example by heating.
  • Suitable salts are alkali metal and / or alkaline earth metal salts, in particular their halogen salts, such as Li Br, LiGI, MgCl 2 and the like.
  • absorbent and / or adsorbent all substances are suitable in principle, the r a solvent of the A beitsffens absorb and / or adsorb. However, those absorbents and / or adsorbents which release the absorbed and / or adsorbed first component (s) with a low expenditure of energy are preferred.
  • the absorbent / adsorbent can easily be separated from the second component (s) after receiving a first component (s).
  • the absorbent / adsorbent for receiving at least a first component (s) of the working fluid may advantageously be chosen such that the overall efficiency of the inventive system for converting heat energy from fluids into mechanical, electrical and / or thermal energy is determined over 24 hours including that for separation the first component (s) of the absorbent / adsorbent is preferably still> 40%.
  • the mixture is separated into first component and expulsion means.
  • the expelling agent is preferably a substance which absorbs or binds, for example absorbed and / or adsorbed, the first component (s) in the sense of a dilution effect.
  • the expelling agent is therefore a salt or a saline solution.
  • the expelling agent is a gel or a solid.
  • Heat energy that separates the desorbable first component from the expelling agent in the separator may be provided in any form, such as fossil, bioenergy or solar energy. However, it can also be provided from other sources of energy with good efficiency, such as from the group comprising heat pump / s, fuel cell (s) or in the form of waste heat, depending on the temperature level either directly or after transformation with the help of one or more heat pump (s) the temperature required for the desorption is brought.
  • the energy source (s) for generating the amount of heat needed to separate the batch may be and / or at least an exhaust heat source, a waste heat source of combustion processes, a geothermal source, a solar collector, a heat pump, a fuel cell, a waste heat source of cooling processes, an internal combustion engine, a combined heat and power plant partially generated by means of the low-pressure expansion device.
  • the mixture in the separator which is designed as a thermal expeller system, is separated into first component and expulsion means. It is advantageous if the expulsion agent is separated off in liquid form by evaporating the first component (s) from the mixture.
  • the mixture is exposed to an overpressure, preferably of about 1 bar atmospheric pressure. It is preferred that the mixture of first component (s) and expelling agent is present in the separator in free-flowing and preferably in liquid form.
  • the thermally separated or desorbed in the separator first component (s) of the batch is transferred to an evaporator with overpressure, for example 1 bar overpressure, referred to as gas or as steam.
  • a second component (s) may be added to the first component (s) as described above.
  • This formed from the first component / n and second component / n pressurized flowable and preferably liquid mixture, also referred to as working fluid is evaporated and the steam at an overpressure, for example, 1 bar, and elevated temperature, a low-pressure relaxation device supplied by means of which the working fluid is expanded, for example to atmospheric pressure, and cooled.
  • In the evaporator may be a liquid and vapor phase of the first and second components.
  • the low-pressure expansion device may particularly preferably be a Roots blower or an oval wheel pump. It may also be preferred if the low-pressure expansion device is designed with at least one injection opening, through which an absorbent or a protic solvent can be introduced into the expansion device.
  • the low-pressure expansion device can be connected to a generator.
  • the expanded gaseous working fluid is then fed to an expeller scrubber.
  • an expelling agent is added to the working fluid mixture.
  • the first component (s) is at least partly wise, preferably completely, absorbed.
  • the absorption energy released in this case can be used to separate the second component (s) from the first component.
  • at least a portion of the required energy preferably all of the energy required to raise the temperature and separate the second component (s) from the batch, is obtained by absorption and / or adsorption energy of the first component in the presence of the expelling agent.
  • the remaining after the Austrreiber scrubber second component, which according to the invention after relaxation has absorbed heat due to the absorption of the first component, and was thereby heated to a temperature above the boiling temperature of the mixture 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 fluid, but may also be a heat exchanger in which heat energy is transferred to a heat-consuming process before the cooled second component is passed into the evaporator.
  • the heat energy withdrawn from the process by such a prior heat transfer is returned to it by a larger heat input into the expeller system.
  • a return flow with valve between evaporator and expeller system ensures that the composition of the mixture is stabilized at the desired azeotropic mixing ratio.
  • Excess thermal energy may also be supplied to a generator, the evaporator and / or the separator.
  • the heat energy contained in the temperature-increased second component (s) can be at least partially removed by means of a heat exchanger and / or used for evaporation of additional second component (s) in the evaporator, wherein the heat exchanger is optionally connected to a coupling device.
  • the coupling device may be a heating network and / or another heat consumer.
  • a part of the first component (s) can also be condensed in a heat exchanger, which is preferably integrated in the evaporator, wherein the condensation energy released in this case can be used at least partially for the evaporation of the working medium, for example in the evaporator.
  • the first gaseous or vaporous component (s) attaches to the expelling agent releasing absorption energy.
  • the expelling agent is a salt solution
  • a so-called dilution effect occurs in which the salt solution absorbs and / or adsorbs the first component (s).
  • the first component (s) is contacted with the expulsion means, the first component at least partially changing its aggregate state from gaseous to liquid and / or the first component being condensed, absorbed and / or adsorbed by the expulsion means, whereby heat energy is released.
  • the released absorption energy enables thermal separation of the second component from the first component in the expeller scrubber. This is energetically particularly advantageous because the aggregation change from gaseous to liquid, especially in water releases a lot of heat energy that can be transferred to the second component (s).
  • the condensed first component (s) forms a mixture with the expulsion means which is supplied to the separation device.
  • the expelling agent comprises at least one ionic compound, preferably at least one salt solution, more preferably at least one silicate solution, and most preferably at least one alkaline silicate solution.
  • the mixture can be fed by means of at least one pump from Australer scrubber via at least one recuperator, for heat exchange between flow of the second component / s and return of the batch, the separator and expelling means are conveyed from the separator back to the absorption device.
  • the return circuit of the second component (s) is isolated from the recirculation loop of the expulsion medium.
  • the ratio between generated mechanical or electrical energy and accumulated heat loss, determined by the method during conventional thermal expansion processes, is canceled according to the invention by omitting the condensation of the working medium after the expansion.
  • the pressure reduction required for the relaxation is not realized by condensation of the entire motive steam, but by absorption of a portion of the motive steam.
  • the required volume reduction is not realized by cooling, but by a decrease in the number of particles in the motive steam.
  • As a particularly elegant feature of the solution according to the invention is to be considered that by appropriate selection of an azeotropic mixture with boiling point minimum as a working medium by the absorption of the first component, the released absorption energy is transferred to the remaining vaporous second component. As a result, it is heated beyond the evaporation temperature of the mixture in spite of the relaxation.
  • the invention can further be provided that with the heat energy, if necessary after a transformation to a higher temperature level by means of one or more heat pumps arranged one behind the other, desorbs the absorbed first component of a working fluid in an expelling unit and with the increased Desorpti- onstemperatur vapor in the evaporator vaporized and working fluid evaporates, that the relaxation takes place in a low-pressure expansion device and the energy contained in the relaxed vaporized working medium with the absorption energy transmitted during the absorption of the first component, vapor remaining second component either in the evaporator is traceable and usable for the evaporation of additional working fluid is, or can be used in an intermediate heat exchanger at the elevated temperature level for heat-consuming processes.
  • An essential feature of the method according to the invention is the relaxation of the working fluid in a low-pressure expansion device, wherein the energy contained in the relaxed vaporous working fluid is traceable to the evaporator and for the purpose of evaporation additional working fluid is available.
  • the working fluid to be relaxed is formed by a mixture, and the method preferably comprises at least a first component of the working fluid, which is absorbed in and / or after the low-pressure expansion device by means of an absorbent and / or adsorbed by means of an adsorbent, wherein heat energy the remaining, vaporous second component / s passes, which is traceable.
  • the mixture of working fluids at a certain mixing ratio of the components is a boiling point azeotrope.
  • the evaporation temperatures can be lowered, depending on the type, so that they are below the condensation temperatures of the individual components. If the first component is adiabatically absorbed from the vapor mixture, the corresponding heat is transferred to the second component remaining in vapor form. The removal of the heat of condensation can be done at an elevated temperature level.
  • the second vaporous component in the evaporator of the working fluid itself are condensed under release of the heat of condensation, so that the corresponding proportion of the heat energy can be returned to the process.
  • the working medium for the low-pressure relaxation for example an azeotropic mixture of water and perchlorethylene
  • the absorption in which according to the invention the resulting heat of absorption is transferred to the second component remaining in vapor form, whereby this component is heated to a temperature level above the boiling temperature of the azeotropic mixture, can take place in and / or after the expansion device.
  • the relaxation of the azeotropic mixture heat energy can be converted into mechanical energy and with the help of a generator into electrical energy and at the same time the relaxed work equipment, the process in the relaxation process has already done "work" by the separation (
  • the remaining working medium can be returned after the expansion, for example in order to release its heat in a heat exchanger
  • the remaining working medium Only second component
  • a heat exchanger evaporator
  • the efficiency of the process for converting thermal energy into mechanical and / or electrical energy can be substantially improved. Furthermore, the vaporous second component in a heat exchanger can transfer heat to a heat consuming process before returning to the evaporator.
  • the working medium for the low pressure relaxation is preferably formed by an azeotropic mixture with boiling point minimum or nearly azeotropic mixture.
  • an azeotropic mixture with boiling point minimum or nearly azeotropic mixture.
  • the invention is described with an azeotropic mixture, of course, the invention can also be based on almost azeotropic mixtures or non-azeotropic mixtures. High efficiencies can be achieved especially with an azeotropic or an almost azeotropic mixture.
  • an azeotropic mixture depending on the type of their evaporation temperatures can be lowered so that they are below the evaporation temperatures of the individual components.
  • the absorbent is a reversibly immobilizable solvent which in the non-immobilized state of matter is the first component of the working fluid.
  • the reversible solvent in the boiling agent may advantageously be altered by physico-chemical changes in which it can be changed from the non-immobilized state to the reversibly immobilized state by ionization or complexation from the vapor phase and in the non-immobilized form as an absorbent works for the work equipment.
  • the vaporous working fluid before the relaxation already contains the absorbent (in the non-immobilized state).
  • the reversibly immobilized solvent is in a vaporous state and undergoes physico-chemical changes - such as pH shift, change in mole fraction and temperature in its volatility and / or in its vapor pressure - to the liquid state (comparable to steam as Solvent in non-immobilized form and water as reversibly immobilisable solvent).
  • physico-chemical changes such as pH shift, change in mole fraction and temperature in its volatility and / or in its vapor pressure - to the liquid state (comparable to steam as Solvent in non-immobilized form and water as reversibly immobilisable solvent).
  • the advantage here is that the working fluid consists of two components, wherein at the same time the one component in the reversible immobilized state acts as an absorbent for the other component.
  • pH-dependent reversible immobilizable solvents for example, cyclic nitrogen compounds - such as pyridines - can be used.
  • the absorption of the first component can already take place, for example, in the low-pressure expansion device.
  • an expeller scrubber also referred to in the present description as an absorption device, for example, is designed as a scrubber, the low pressure relaxation Vor- direction downstream.
  • the ionization of the reversibly immobilizable solvent can be carried out in the absorption device by electrolysis or by addition of electrolytes, whereby the solvent is formed in its immobilized form as an absorbent from the working fluid.
  • the vapors of the working medium flowing through the absorbent are also ionized, so that the vapor pressure is lowered so that the vapor of the reversible immobilisable component is deposited in the working medium.
  • the azeotropic working fluid is thus passed through the absorbent, which absorbs (absorbs) the first component, with the released absorption energy being transferred to the remaining vaporous second component.
  • the absorbent can then be passed back into the evaporator, where it is converted, for example by deionization in a non-ionic state and is re-evaporated with the condensed phase of the remaining second component as an azeotrope.
  • the molar ratio of the working fluid is selected such that the pressure in the expansion decreases by reducing the number of remaining in the gas phase molecules more than the pressure increases by the heating of the remaining gas, so that the structure of an otherwise resulting back pressure after the expansion device is avoided.
  • a device may be used in which neither the mass of the steam nor the pressure ratio, but only the pressure difference is relevant.
  • the low pressure expansion device is designed as a Roots blower - as Roots blower - or in the form of oval wheel pumps. It is advantageous that the Roots blower can work as a relaxation devices (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 designed with at least one injection opening, through which the absorbent and / or a protic solvent can be introduced into the Roots blower.
  • a pressure-controlled injection takes place to prevent liquid damage. Another advantage is that in the said expansion devices only the pressure difference and not the mass or the expansion ratio is decisive for the efficiency.
  • the Roots blower on a gas-tight seal between the pumping chamber and the gear compartment, wherein in another embodiment, the Roots blower comprises multi-bladed rotors.
  • the Roots blower further comprises a shaft which can be connected to the generator, whereby the mechanical can be converted into electrical energy.
  • a Wälzkolbenmotor as Niederbuchenthovsvortechnisch - especially when using waste heat with a temperature of less than about 100 ° C for driving, for example, pumps or generators - opens up the possibility, on the one hand to support the process by injection of absorbents, and other because of the low pressure and temperature differences, the remaining energy in the relaxed vaporous working fluid, as described above, to transform back to an elevated temperature level and thus to make traceable.
  • the Roots blower relaxes a pressurized working fluid and not compressed.
  • Another object of the invention relates to a system for the conversion of heat energy into mechanical, electrical and / or thermal energy.
  • a plant for the conversion of thermal energy into mechanical, electrical and / or thermal energy which comprises the following components: a) an evaporator unit (3) in which a mixture formed from first component (s) and second component (s) is obtained , b) a low-pressure expansion device (4), which is optionally connected to a generator (5), wherein the low-pressure expansion device (4) of the evaporator unit (3) is connected downstream, c) an expeller scrubber (6) the expeller scrubber (6) is preferably integrated into the low-pressure expansion device (4) and / or is connected downstream of the low-pressure expansion device (4), d) a separation device (2) which is designed as a thermal expulsion system, in which the first component / n is separated from the expulsion means, e) at least one additional energy source (1), which forms the Ausreibersystem as separating device (2) istenergi e for the purpose of separating the first component (s) from the expulsion means (s).
  • the heat energy for desorption or separation of the absorbed first component (s) in the separation device can be provided by any energy source.
  • a suitable energy source (s) (1) according to the invention may be at least one exhaust heat source, a waste heat source of combustion processes, a geothermal source, a solar collector, a heat pump, a fuel cell, a waste heat source of cooling processes, an internal combustion engine and / or a combined heat and power plant.
  • the heat energy must be provided at one or two different temperature level / s on the one hand above the set in the evaporator evaporation temperature of the azeotropic working medium mixture and on the other hand above for the desorption or separation of the absorbed first component / s in the expeller or for the release in the case of another physico-chemical process for the separation of the first component.
  • the heat energy from the combustion of fossil or biogenic energy carriers, solar heat, fuel cell (s) as well as waste heat from upstream thermal processes can, if necessary, be obtained by appropriate transformation of the temperature level with the aid of one or more heat pumps.
  • the heat energy can also be incurred by accumulating heat at incinerators or from the heat loss from the condensation in conventional thermal expansion processes to generate electricity.
  • the conventional methods of generating electricity by relaxing high-tension water vapor and requiring the condensation of water vapor after the turbine involve large amounts of waste heat that must be traversed as heat losses in cooling towers.
  • the fiction, contemporary method offers the possibility to convert at least partially this heat energy into mechanical energy. Prerequisite is the transformation with the help of one or more heat pumps to a sufficiently high temperature level.
  • the exceeding of the evaporation temperature of the azeotropic working medium mixture in the evaporator is sufficient in connection with energy production plants, since the required, generally higher desorption temperature in the generator can preferably be applied from heat energy which can be taken directly from the primary combustion.
  • Particularly suitable is the proposed method for converting the waste heat generated at known motor-driven block heating power plants (CHP).
  • CHP motor-driven block heating power plants
  • the established converted primary energy into useful energy in the following relations: about 36% mechanical energy, 34% engine waste heat in the cooling water circuit, 26% exhaust gas, 4% radiation losses.
  • the inventive method can be used in this ratio particularly advantageous for the conversion of CHP waste heat, since the waste heat is obtained at two different temperature levels, the engine heat in the cooling water circuit at about 90 ° to 100 0 C, exhaust gas to about 400 0 C. This can These waste heat can be used essentially without further transformation of the temperature level.
  • the exhaust heat is advantageously fed directly into the expeller, the engine waste heat in support of evaporation in the evaporator.
  • the heat generated in the CHP waste heat can also be transformed by heat exchange processes to temperature levels, so that the resulting heat energy can be used as much as possible in the system according to the invention.
  • Another advantage is that, in a conventional manner, part of the waste heat produced can also be used for heat-consuming processes.
  • the energy source (s) may be a heat pump (s), a fuel cell and / or solar system (s). Preference is given to the use of at least one heat pump in view of the advantageous energy balance.
  • Heat pumps can be used advantageously at low ambient temperatures. Solar systems require a sufficiently high solar radiation, so that in colder regions often the use of heat pumps may be preferred. Fuel cells can also be used due to their high efficiency.
  • the system according to the invention may comprise at least one pump, by means of which the mixture comprising first component (s) and expulsion means from the expeller scrubber to the separation device, optionally via a recuperator, after heat exchange between flow of the second component (s) and return of the batch, to the separation device and expulsion means from the separation device back to the absorption device.
  • the absorption device may preferably be embodied as a scrubber, wherein first component (s) is condensed, adsorbed and / or absorbed by means of expulsion means.
  • the system can be designed such that the recirculation loop of the second component (s) from the extruder scrubber to the evaporator passes through the low-pressure expansion device back to the extruder scrubber, separate from the expulsion line loop of the expulsion medium from the extruder scrubber via the separator to the extruder scrubber, wherein preferably the return line circuit of the second component / n is a pump interposed, the second component / n under pressure into the evaporator passes and in the return line circuit of the expelling means optionally a recuperator is interposed.
  • the return line circuit of the second component / s has at least one heat exchanger unit, the heat exchanger unit preferably having a coupling device.
  • the return line loop of the first component is passed from the separator to the evaporator via the low-pressure expansion device for Austrreiber Reginascher back to the separator, from the evaporator to Austreiber Reginascher first and second components are performed together and the Austrreiber scrubber back to the separator first Component / s are performed together with the expulsion means, wherein preferably in the return line loop from Austreiber scrubber to the separation device optionally a recuperator is interposed.
  • a return line with valve can be arranged between the separator and the evaporator.
  • the first component can be passed from the separator as vapor or gas in the evaporator.
  • the second component can be derived as steam or gas from the Austreiber Reginascher.
  • the second component emits thermal energy to the working fluid in the evaporator, the second component is condensed in this case and after the heat exchange, the condensate of the second component is fed to the evaporator.
  • Working fluid is supplied under pressure to the low pressure relaxation device. Here the working fluid is depressurized and, if necessary, lowered in temperature. The energy released in this case can be converted for conversion into mechanical and / or electrical energy.
  • the expelling agent may be supplied in flowable form, preferably in liquid form, to the expeller scrubber to absorb the first component.
  • the condensate, also referred to as a mixture, of the first component and expelling agent is fed in a flowable form, preferably as a liquid, to the separating device.
  • a recuperator be interposed for the purpose of heat exchange. The thermal energy thus obtained can be supplied to the separating device and / or to the evaporator.
  • the object of the invention relates to a system with an evaporator in which a working medium comprising first and second component (s), hereinafter also referred to as a mixture, preferably forms an azeotropic mixture which evaporates in the evaporator and optionally experiences an increase in pressure.
  • This compressed gaseous mixture is a low-pressure expansion device, with an absorption device which is integrated in the low-pressure expansion device and / or the low-pressure expansion device is fed downstream, wherein in the absorption device, a first component of the working fluid is absorbable by an absorbent and Heat is transferable to the remaining, vaporous second component, which is traceable.
  • the working medium mixture of the first component (s) and the second component (s) is depressurized and, if appropriate, the working medium mixture undergoes a temperature reduction.
  • the available heat energy is not available at a sufficiently high temperature level, first the heat energy with the aid of at least one heat source or energy source, preferably heat pump, to the required temperature level for the evaporation of the working fluid or for the separation of the first component from the expelling means transformed by thermal desorption.
  • at least one heat source or energy source preferably heat pump
  • the described absorption-desorption process with an azeotropic mixture is used as the working medium while dispensing with the low pressure release as a chemisorption heat pump.
  • the operation of this heat pump therefore corresponds mutatis mutandis to the above.
  • the absorption heat energy of the first component released from the mixture of first component and expelling agent is used to evaporate the second component (s) of the working medium, which is then transformed to a higher temperature level by thermal energy input, optionally by means of a heat pump to evaporate a "second" working fluid for the low pressure relaxation, which is then expanded in a low-pressure expansion device, wherein the energy released in this case is at least partially converted into mechanical and / or electrical energy.
  • a heat pump according to the invention is provided with at least one mechanical compressor.
  • the temperature increase of the working fluid is carried out by mechanical compression and, on the other hand, the temperature of the working fluid is additionally increased by means of a compressor by heat exchange with a second component / s, which is in heat energy exchange with the working fluid, and / or on the other hand in addition, by means of an operating medium acting as an absorbent, wherein the absorbent absorbs a first component of the working fluid, which is formed by a mixture, in and / or after the compressor, wherein heat is transferred to the remaining, vaporous second component.
  • the efficiency can be significantly improved by the inventive method.
  • the temperature increase of the working fluid is due to the compression of the working fluid.
  • the compressor is preferably designed as a liquid-superposed compressor.
  • this may be a liquid ring pump or a liquid-superposed screw compressor. It is particularly advantageous that these liquid-superposed compressor can be operated with high-boiling equipment. Since in the fluid superimposed compressors the equipment does not have a lubricating function but a pure sealing function, in the method according to the invention virtually any working medium up to water can be used, which have high molar heat of evaporation, have large temperature jumps in the low pressure range and allow high operating temperatures of the compressor.
  • Another advantage of the inventive process separation of compression and heating in the liquid ring pump is the ability to realize temperatures of the working fluid after the temperature increase of about 180 4 O can.
  • resources such as high-boiling silicone oils or diester oils or plasticizers such as dioctyl phthalate with viscosities up to 50 centistoke (cts).
  • the boiling temperature of the operating fluid is higher than the temperature of the working fluid after the temperature increase.
  • the working agent is a one-component solvent, for example water or a higher-boiling solvent.
  • the compressor is followed by a separation arrangement.
  • a separation arrangement ensures that these shares are collected and returned to the compressor.
  • an aerosol separator may be connected downstream of the separation arrangement, which can collect the smallest particles (droplets) of the equipment from the vaporous working medium, which are also conveyed to the compressor.
  • Any accumulating oil can be conveyed back into the compressor in a further embodiment of the invention.
  • the separator and / or the Aerosolabscheider downstream of a condenser, wherein the resulting condensate of the first component / s and / or working fluid is supplied to the evaporator.
  • the first component (s) and / or working fluid condense under an elevated pressure generated by the compressor, and first component (s) and / or working fluid can release heat at a high temperature level.
  • the resulting condensate preferably returns via an expansion valve back to the evaporator.
  • a particularly preferred embodiment of the invention relates to the use of heat energy from the atmospheric air as an energy source with the dissolved therein as humidity water vapor.
  • the occurring when using heat pump / s as an energy source condensate water is processed in an additional process step to process water and / or to water with drinking water quality.
  • the atmospheric air with the water vapor dissolved in it constitutes a large, practically inexhaustible energy reservoir.
  • this energy reservoir which is formed by the sensible heat of the air and the latent heat of the water vapor, everywhere the world, so it is available regardless of location. This energy reservoir is constantly refilled by the sunlight.
  • the conversion of the thermal energy contained in humid air into mechanical energy is an indirect use of the heat energy from solar radiation.
  • a particularly preferred embodiment of the method according to the invention provides for absorbing the heat energy from moist ambient air into an evaporator for evaporating a suitable working medium and, if necessary, for transformation to a higher temperature level depending on the real ambient conditions with temperature and humidity to relax with one or more heat pumps, the steam via a low-pressure expansion device according to the above, with some of the heat energy is converted into mechanical energy and the energy contained in the relaxed working medium is traceable.
  • the gaseous components are cooled, on the other hand, depending on the temperature levels of the heat exchange processes, the air humidity contained predominantly condenses, the high heat of condensation of the water being recovered for the process.
  • the conversion can be advantageously realized without the interposition of a heat pump.
  • the average working time of the plant according to the invention for converting thermal energy of fluids into mechanical energy at an initial fluid temperature of 25 ° C determined over 24 hours makes up 2.5 to 12.
  • the average work digit may be 3 to 10 or 4 to 8 for systems according to the invention.
  • the average work rate for plants according to the invention is 5 to 6.
  • the overall efficiency of the inventive system for converting thermal energy into mechanical energy is preferably> 40%, preferably> 50% and particularly preferably> 60%.
  • 15% to 40%, preferably 20% to 35% and preferably 25% to 30%, of the released energy can be used for the conversion into mechanical energy by the relaxation of the working medium at the low-pressure expansion device.
  • the temperature of the working fluid upstream of the low-pressure expansion device is higher than the temperature of the working fluid downstream of the low-pressure expansion device and upstream of the absorption device.
  • the temperature of the working fluid in the evaporator unit is higher than the temperature of the working fluid after the low-pressure expansion device and before the absorption device.
  • the temperature of the working medium in the evaporator may 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 Make out ° C. Most preferably, the temperature of the working fluid in the evaporator is above the boiling point.
  • the excess pressure of the working fluid, based on normal pressure (atmospheric pressure), before the low-pressure expansion device can be in the range of 0.3 bar to 15 bar. Higher pressures are possible, but such systems require increased material costs, so that the pressure of the working fluid in the supply line from the evaporator to the low-pressure expansion device preferably in the range of 1 bar to 10 bar, more preferably in the range of 1, 5 bar to 8 bar , more preferably in the range of 2 bar to 6 bar and also preferably in the range of 3 bar to 4 bar lie.
  • the pressure difference .DELTA.P of the working fluid upstream of the low-pressure expansion device and immediately after relaxation of the working fluid but before the absorption device should ⁇ P 0.1 bar to 5 bar, preferably ⁇ P 0.5 bar to 3 bar and preferably ⁇ P
  • the separator also referred to as Ausreiberaggregat
  • the separated vaporous first component may have a steam temperature of about 120 ° C and an overpressure, based on atmospheric pressure, of about 1 bar.
  • the Austreibericascher prevails normal pressure, wherein the second component of the working fluid has an evaporation temperature of about 90 ° C to 120 ° C.
  • Figure 1 shows a plant for the conversion of thermal energy into mechanical / electrical and thermal useful energy in a variable ratio.
  • the externally introduced heat energy of the energy source (1) heats a separator (2), in which there is an alkaline silicate solution as absorption solution with absorbed water.
  • the absorption solution is heated by the introduced heat energy so that the absorbed water desorbs and as vapors into the evaporator (3) and heated by heat exchange or condensation heats the second component therein and forms a mixture of first and second component, hereinafter referred to as Work equipment called.
  • Work equipment for the mixture used as working fluid, an azeotropic mixture of water and silicone is selected by way of example.
  • the motive steam generated in the evaporator (3) is expanded via the expansion device (4), wherein the energy of the motive steam of the working fluid is at least partially converted into mechanical force, which is converted into electrical energy by means of the connected generator (5).
  • the relaxed working fluid is in the downstream Austreibericascher (6) with a Austreibungsstoff, hereinafter also referred to as absorption solution, washed from the expeller unit (2), wherein the water content is absorbed in the relaxed motive steam.
  • absorption solution a Austreibungsmittel
  • the pressure reduction desired for the relaxation is realized by the absorption on the one hand by reducing the number of particles
  • the released absorption energy is transferred to the vaporous second component, in this case silicone.
  • this second component is heated to a temperature level which is above the vaporization temperature of the azeotropic mixture used as the working medium. This temperature level adjusts itself according to the pressure conditions set in the system.
  • the thus heated vaporous second component is supplied via a steam line to a heat exchanger unit (8), and there in the heat exchange energy to a coupling device, such as a heating circuit (9), for example, for supplying heat-consuming processes. Cooled or partially condensed, the second component leaves the heat exchanger unit (8) and is conducted in a line through and / or to the evaporator (3), for the purpose of heat exchange with the boiling in the evaporator boiling means, wherein the second component guided while releasing its heat of condensation completely condensed to the working fluid.
  • a coupling device such as a heating circuit (9)
  • the condensed working fluid is then conveyed back to the evaporator (3) with the pump (7).
  • the absorption solution is circulated between the separation device (2) and expeller scrubber (6), wherein a recuperator (11) between supply and return causes cooling of the absorption solution before entering the Austrreiber stiischer and thus an improvement in the absorption capacity with respect to the first component.
  • the achieved decoupling of absorption and desorption temperature improves the stability of the absorption / desorption or condensation process.
  • a backflow line between separating device (2) and evaporator (3) serves to stabilize the composition of the mixture.
  • the system according to the invention can be used to convert thermal energy into mechanical, electrical and / or thermal energy.
  • the system according to the invention can be used in particular for heating and / or for supplying energy to buildings and the like.
  • the system according to the invention may be used alone or in combination with conventional drive systems, e.g. Internal combustion engines or batteries.
  • conventional drive systems e.g. Internal combustion engines or batteries.
  • hybrid drives can be realized.
  • the inventive system can be used alone or in combination with at least one combustion or electric motor in the embodiment of a hybrid drive to drive very different mobile systems.

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Abstract

Die Ertindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische, elektrische und/oder thermische Energie mit hohem Wirkungsgrad durch Ent­spannung eines gasförmigen Gemisches in einer mit einem Verdampfer (3) verbundenen Entspannungsvorrichtung (13), worin in einer Trennvorrichtung (2) wenigstens eine erste Komponente eines Gemenges unter Zuführung von Wärmeenergie von einer Energiequelle (1) ausgetrieben und in einen Verdampfer (3) überführt wird, wobei das Gemenge wenigstens eine erste Komponente und wenigstens ein Austreibungsmittel umfasst, wobei das Austreibungsmittel einem Austreiberwäscher (6) separat zugeleitet wird, der ausgetriebenen ersten Komponente/n in dem Verdampfer (3) mindestens eine zweite Komponente/n unter Ausbildung eines Gemisches zugesetzt wird, das aus der ausgetriebenen ersten Komponente/n und der zweiten Komponente/n gebil­dete Gemisch als Dampf in Form eines komprimierten Gases wenigstens einer Nieder­druck-Entspannungsvorrichtung (4) zugeführt und entspannt wird, wobei die bei der Entspannung freiwerdende Energie teilweise in mechanische, elektrische und/oder thermische Energie umwandelbar ist, das entspannte Gemisch wenigstens einem Austreiberwäscher (6) zugeführt wird, worin dem Gemisch das Austreibungsmittel zugesetzt wird, worin die erste Komponente und das Austreibungsmittel ein Gemenge unter Freisetzung von Wärmeenergie ausbilden, dabei wenigstens einer ersten Komponente des Gemenges Energie entzogen wird und die zweite Komponente/n dadurch eine Temperaturerhöhung erfährt und vom Gemenge abgetrennt wird, das Gemenge aus dem Austreiberwäscher (6) in die Trennvorrichtung (2) rückgeführt wird, und die zweite Komponente/n aus dem Austreiberwäscher (6) in den Verdampfer (3) rückgeführt wird.

Description

Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie mit hohem
Wirkungsgrad
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie mit hohem Wirkungsgrad, bei dem in einem Verdampfer eine erste Komponente/n zusammen mit einer zweiten Komponente/n verdampft wird, die in einer Entspannungsvorrichtung entspannt werden, wobei Wärmeenergie zumindest teilweise in mechanische Energie umgewandelt wird. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Anlage zur Umwandlung von Wärmeenergie 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 iη 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 Wirkungsgrade zu erreichen, da bei Turbinen das Druckverhältnis bei der Entspannung die wesentliche Einflussgröße ist.
Ein nachteiliges Merkmal der bekannten Entspannungsprozesse zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie ist, dass die bei der Kondensation des Arbeitsmittels anfallende Kondensationsabwärme verfahrensbedingt als Verlustwärme anfällt, wodurch der Wirkungsgrad negativ beeinflusst wird.
Nach dem Stand der Technik sind auch Ausführungen von Anlagen bekannt, in denen die anfallende Kondensationswärme als Heizenergie in nachgeschalteten Verbrauchern genutzt wird. Man spricht hier von Kraft-Wärme-Kopplung, da in der Anlage gleichzeitig Strom und Heizwärme erzeugt werden.
Ein weiterer Nachteil der bekannten thermischen Entspannungsprozesse in Turbinen mit einer Kondensation des Treibdampfes in einem nachgeschalteten Kondensator, wodurch der für die Entspannung erforderliche Druckabfall aufrechterhalten wird, liegt darin, dass dadurch verfahrensbedingt der im Generator erzeugbare Strom und die als Verlustwärme abzufahrende Kondensationswärme miteinander verkoppelt werden. Nur wenn das Arbeitsmittel ständig kondensiert wird, kann die Entspannung und damit die Erzeugung von Strom aufrechterhalten werden. Wird die Kondensationswärme nicht mehr abgeführt, so kommt die Stromerzeugung schließlich zum Erliegen. In den bekannten Systemen der Erzeugung von Strom mit thermischen Entspannungsprozessen ist somit eine enge Abhängigkeit der Stromerzeugung von der Wärmeabnahme in nachgeschalteten thermischen Verbrauchern gegeben. Dies ist ein wesentlicher Grund dafür, dass in großen Kraftwerken, die nur der Stromerzeugung dienen, bewusst der Verlust der Kondensationswärme in Kauf genommen wird, um die Stromerzeugung unabhängig von einer etwaigen Nutzung der abzuführenden Kondensationswärme zu machen.
Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung werden üblicherweise nach der Priorität der Nutzenergie in sog. "stromgeführter" oder "wärmegeführter" Betriebsweise betrieben. Energetisch stellen diese Betriebsweisen Kompromisse dar: liegt der Schwerpunkt auf der Wärme, so richtet sich die Stromerzeugung nach dem aktuellen Wärmeverbrauch, steht die Stromerzeugung im Vordergrund, so muss die zugehörige Kondensationswärme abgenommen werden, unabhängig davon, ob sie tatsächlich in wärmetechnischen Prozessen auch gebraucht werden kann oder ob sie, wie bei den großen Kraftwerken zur Stromerzeugung, als Verlustwärme abgefahren werden muss.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie mit hohem Wirkungsgrad zur Verfügung zu stellen, und wenigstens einen der vorgenannten Nachteile zu vermeiden.
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 in mechanische, elektrische und/oder thermische Energie mit hohem Wirkungsgrad durch Entspannung eines gasförmigen Gemisches in einer mit einem Verdampfer (3) verbundenen Entspannungsvorrichtung (4) zur Verfügung gestellt, gemäß dem
- in einer Trennvorrichtung (2) wenigstens eine erste Komponente eines Gemenges unter Zuführung von Wärmeenergie von einer Energiequelle (1) ausgetrieben und in einen Verdampfer (3) überführt wird, wobei das Gemenge wenigstens eine erste Komponente und wenigstens ein Austreibungsmittel umfasst, wobei das Austreibungsmittel einem Austreiberwäscher (6) separat zugeleitet wird,
- der ausgetriebenen ersten Komponente/n in dem Verdampfer (3) mindestens eine zweite Komponente/n unter Ausbildung eines Gemisches zugesetzt wird,
- das aus der ausgetriebenen ersten Komponente/n und der zweiten Komponente/n gebildete Gemisch als Dampf in Form eines komprimierten Gases wenigstens einer Niederdruck-Entspannungsvorrichtung (4) zugeführt und entspannt wird, wobei die bei der Entspannung freiwerdende Energie teilweise in mechanische, elektrische und/oder thermische Energie umwandelbar ist,
- das entspannte Gemisch wenigstens einem Austreiberwäscher (6) zugeführt wird, worin dem Gemisch das Austreibungsmittel zugesetzt wird, worin die erste Komponente und das Austreibungsmittel ein Gemenge unter Freisetzung von Wärmeenergie ausbilden, dabei wenigstens einer ersten Komponente des Gemenges Energie entzogen wird und die zweite Komponente/n dadurch eine Temperaturerhöhung erfährt und vom Gemenge abgetrennt wird,
- das Gemenge aus dem Austreiberwäscher (6) in die Trennvorrichtung (2) rückgeführt wird, und dass die zweite Komponente/n aus dem Austreiberwäscher (6) in den Verdampfer (3) rückgeführt wird.
Der Begriff „Gemisch" bedeutet eine Zusammensetzung umfassend wenigstens eine erste Komponente und wenigstens eine zweite Komponente. Das Gemisch wird nachfolgend auch als Arbeitsmittel bezeichnet.
Das Arbeitsmittel 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 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, bezogen auf den Siedepunkt der Komponente mit dem höchsten Siedepunkt.
Erfindungsgemäß geeignet verwendbare Azeotropmischungen können ausgewählt sein aus der Gruppe umfassend, Pyridin/Wasser, Wasser/Ethanol, Wasser/Ethylacetat, Was- ser/Dioxan, Wasser/Tetrachlorkohlenstoff, Wasser/Benzol, Wasser/Toluol, Etha- nol/Ethylacetat, Ethanol/Benzol, Ethanol/Chloroform, Ethanol/Tetrachlorkohlenstoff, Ethyl- acetat/ Tetrachlorkohlenstoff, Methanol/ Tetrachlorkohlenstoff, Methanol/Benzol, Chloro- form/Aceton, Toluol/Essigsäure, Aceton-Schwefelkohlenstoff und/oder Wasser/Silikon.
Gleichermaßen erfindungsgemäß verwendbare geeignete Azeotropmischungen können auch mehrkomponentige Systeme sein, d.h. diese Azeotropmischungen umfassen wenigstens drei Komponenten, oder wenigstens vier Komponenten. Grundsätzlich sind alle in der Literatur bekannten Azeotropmischungen, auf die in diesem Zusammenhang im vollen Lm- fang Bezug genommen wird, verwendbar, soweit diese erfindungsgemäß geeignet sind.
Die erste Komponente/n kann ausgewählt sein aus der Gruppe umfassend Wasser, Alkohol, Säure, Keton, Aldehyd und/oder Silikon, wobei das Gemisch umfassend erste und zweite Komponente besonders bevorzugt eine wässrige Silikonlösung ist.
Die Verwendung von Wasser als wenigstens eine erste Komponente 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.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist eine Komponente, bevorzugt die zweite Komponente, eine geringe volumenspezifische beziehungsweise geringe molare Verdampfungsenthalpie auf. Damit wird erreicht, dass mit einer vorgegebenen Menge an Wärmeenergie eine große Menge an Treibdampf erzeugt wird. 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.
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.
Zumindest eine Komponente des Arbeitsmittels, bevorzugt die zweite Komponente, kann erfindungsgemäß bevorzugt 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.
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.
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.
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.
Das Arbeitsmittel kann ein Gemisch aus Wasser und wenigstens einem oder mehreren SiIi- kon/en aufweisen. Bevorzugt ist ein Mischungsverhältnis 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.
Vorteilhafterweise kann mindestens eine Komponente, vorzugsweise die erste Komponente, ein protisches Lösemittel sein.
Der Begriff „Gemenge" bedeutet eine Zusammensetzung umfassend wenigstens eine erste Komponente und wenigstens ein Austreibungsmittel.
Erfindungsgemäß geeignet verwendbare Austreibungsmittel, nachstehend auch als Absorptionsmittel und/oder Adsorptionsmittel bezeichnet, können ausgewählt sein aus der Gruppe umfassend, Zeolithe, Silikate, anorganische Säuren, insbesondere Phosphorsäure, Halogensäuren, Schwefelsäure, Kieselsäure, organische Säuren, anorganische Salze und/oder organische Salze.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist, dass das Austreibungsmittel einen deutlich höheren Verdampfungspunkt als die erste Komponente/n und zweite Komponente/n hat. Besonders bevorzugt ist der Verdampfungspunkt des Austreibungsmittels so hoch gewählt, dass bei der thermischen Trennung des Gemenges lediglich erste Komponente verdampft wird und das Austreibungsmittel, auch als Absorptionsmittel und/oder Adsorptionsmittel bezeichnet, in der Trennvorrichtung zurück bleibt. Vorteilhafterweise ist das Absorptionsmittel eine alkalische Silikatlösung, wobei das in der alkalischen Silikatlösung absorbierte Wasser der ersten Komponente beispielsweise durch Erhitzen desorbiert wird.
Geeignete Salze sind Alkali- und/oder Erdalkalisalze, insbesondere deren Halogensalze, wie Li Br, LiGI, MgCI2 und dergleichen.
Als Absorptionsmittel und/oder Adsorptionsmittel sind grundsätzlich alle Substanzen geeignet, die ein Lösemittel des Arbeitsmittels absorbieren und/oder adsorbieren. Bevorzugt sind allerdings solche Absorptionsmittel und/oder Adsorptionsmittel die die absorbierte und/oder adsorbierte erste Komponente/n mit geringem Energieaufwand wieder freisetzen.
Vorteilhaft kann weiterhin sein, dass sich die Absorptionsmittel/Adsorptionsmittel nach Aufnahme einer ersten Komponente/n leicht von der zweiten Komponente/n abtrennen lassen.
Das Absorptionsmittel/Adsorptionsmittel zur Aufnahme wenigstens einer ersten Komponente/n des Arbeitsmittels kann in vorteilhafterweise so gewählt sein, dass der Gesamtwirkungsgrad der erfindungsgemäßen Anlage zur Umwandlung von Wärmeenergie von Fluiden in mechanische, elektrische und/oder thermische Energie ermittelt über 24 Stunden einschließlich der zur Trennung der ersten Komponente/n vom Absorptionsmittel/Adsorptionsmittel vorzugsweise noch bei > 40% liegt.
In der Trennvorrichtung, die auch als Austreiberaggregat bezeichnet wird, wird das Gemenge in erste Komponente und Austreibungsmittel getrennt. Das Austreibungsmittel ist vorzugsweise ein Stoff, der die erste Komponente/n im Sinne eines Verdünnungseffektes aufnimmt bzw. bindet, beispielsweise absorbiert und/oder adsorbiert. Bevorzugt ist das Austreibungsmittel deshalb ein Salz oder eine Salzlösung. Es ist aber auch denkbar, dass das Austreibungsmittel ein Gel oder ein Feststoff ist. Zur Trennung, nachfolgend auch als Desorption bezeichnet, des Gemenges in der Trennvorrichtung wird eine Energiequelle zur Erzeugung von Wärmeenergie benötigt.
Wärmeenergie, die die absorbierte erste Komponente vom Austreibungsmittel in der Trennvorrichtung trennt bzw. desorbiert, kann in beliebiger Form zur Verfügung gestellt werden, beispielsweise als fossile Energie, Bioenergie oder Solarenergie. Sie kann aber auch aus sonstigen Energiequellen mit gutem Wirkungsgrad bereitgestellt werden, wie aus der Gruppe umfassend Wärmepumpe/n, Brennstoffzelle/n oder auch in Form von Abwärme, die abhängig vom Temperaturniveau entweder direkt oder nach Transformation mit Hilfe einer oder mehrerer Wärmepumpe/n auf das für die Desorption geforderte Temperaturniveau gebracht wird.
Die Energiequelle/n zur Erzeugung der zur Trennung des Gemenges benötigten Wärmemenge kann eine Abgaswärmequelle, eine Abwärmequelle von Verbrennungsprozessen, eine geothermische Quelle, ein Sonnenkollektor, eine Wärmepumpe, eine Brennstoffzelle, eine Abwärmequelle von Kühlprozessen, ein Verbrennungsmotor, ein Blockheizkraftwerk sein und/oder zumindest teilweise mittels der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung erzeugt werden.
Es ist natürlich auch möglich, dass zumindest ein Teil der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens gewonnenen Energie zur Trennung des Gemisches in der Trennvorrichtung verwendbar ist.
Es ist bevorzugt, dass das Gemenge in der Trennvorrichtung, die als thermisches Austreibersystem ausgebildet ist, in erste Komponente/n und Austreibungsmittel getrennt wird. Vorteilhaft ist, wenn das Austreibungsmittel in flüssiger Form abgetrennt wird, indem die erste Komponente/n aus dem Gemenge verdampft wird.
In der Trennvorrichtung ist das Gemenge einem Überdruck, vorzugsweise von etwa 1 bar atmosphärischen Überdruck, ausgesetzt. Es ist bevorzugt, dass das Gemenge aus erster Kόmponente/n und Austreibungsmittel in der Trennvorrichtung in fließfähiger und bevorzugt in flüssiger Form vorliegt.
Die in der Trennvorrichtung thermisch abgetrennte bzw. desorbierte erste Komponente/n des Gemenges wird mit Überdruck, beispielsweise 1 bar Überdruck, als Gas oder auch als Dampf bezeichnet in einen Verdampfer überführt. In dem Verdampfer kann der ersten Komponente/n eine zweite Komponente/n wie vorstehend beschrieben zugesetzt werden. Dieses aus erster Komponente/n und zweiter Komponente/n gebildete unter Druck stehende fließfähige und bevorzugt flüssige Gemisch, auch als Arbeitsmittel bezeichnet, wird verdampft und der Dampf mit einem Überdruck, beispielsweise von 1 bar, und erhöhter Temperatur, einer Niederdruck-Entspannungs Vorrichtung zugeleitet mittels derer das Arbeitsmittel entspannt, beispielsweise auf Atmosphärendruck, und abgekühlt wird.
In dem Verdampfer kann eine flüssige und dampfförmige Phase der ersten und zweiten Komponenten vorliegen.
Die Niederdruck-Entspannungsvorrichtung kann besonders bevorzugt ein Wälzkolbengebläse oder eine Ovalradpumpe sein. Es kann ferner bevorzugt sein, wenn die Niederdruck- Entspannungsvorrichtung mit mindestens einer Einspritzöffnung ausgeführt ist, durch die ein Absorptionsmittel oder ein protisches Lösemittel in die Entspannungsvorrichtung einbringbar ist.
Zwecks Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische, elektrische und/oder thermische Energie kann die Niederdruck-Entspannungsvorrichtung mit einem Generator verbunden sein.
Das entspannte gasförmige Arbeitsmittel wird anschließend einem Austreiberwäscher zugeführt. Im Austreiberwäscher wird dem Arbeitsmittel-Gemisch ein Austreibungsmittel zugesetzt. Durch die Zugabe des Austreibungsmittel wird die erste Komponente/n zumindest teil- weise, bevorzugt vollständig, absorbiert. Die hierbei freiwerdende Absorptionsenergie kann zur Abtrennung der zweiten Komponente/n von der ersten Komponente verwendet werden. Somit wird zumindest ein Teil der benötigten Energie, vorzugsweise die gesamte Energie, die zur Temperaturerhöhung und Abtrennung der zweiten Komponente/n vom Gemenge erforderlich ist, durch die durch Absorption und/oder Adsorption frei werdende Energie der ersten Komponente in Gegenwart des Austreibungsmittels erhalten.
Vorzugsweise wird die nach dem Austreiberwäscher verbleibende zweite Komponente, die erfindungsgemäß nach der Entspannung Wärme aufgrund der Absorption der ersten Komponente aufgenommen hat, und dadurch auf eine Temperatur oberhalb der Siedetemperatur des Gemisches erwärmt wurde, in einen Wärmetauscher geleitet und kondensiert. Der Wärmetauscher ist vorzugsweise ein Verdampfer, in dem die erste und die zweite Komponente als Arbeitsmittel verdampft werden, kann jedoch auch ein Wärmetauscher sein, in dem Wärmeenergie auf einen wärmeverbrauchenden Prozess übertragen wird, bevor die dabei abgekühlte zweite Komponente in den Verdampfer geleitet wird. Die dem Prozess durch eine solche vorherige Wärmeübertragung entzogene Wärmeenergie wird ihm durch einen größeren Wärmeeintrag in das Austreibersystem wieder zugeführt. Eine Rücklaufleistung mit Ventil zwischen Verdampfer und Austreibersystem sorgt dabei dafür, dass die Zusammensetzung des Gemisches bei dem gewünschten azeotropen Mischungsverhältnis stabilisiert wird.
Überschüssige thermische Energie kann ferner einem Generator, dem Verdampfer und/oder der Trennvorrichtung zugeführt werden. Insbesondere kann die in der temperaturerhöhten zweiten Komponente/n enthaltende Wärmeenergie mittels eines Wärmeaustauschers zumindest teilweise entzogen werden und/oder zur Verdampfung von zusätzlicher zweiten Komponente/n im Verdampfer genutzt werden, wobei der Wärmeaustauscher optional mit einem Kopplungseinrichtung verbunden ist.
Die Kopplungseinrichtung kann ein Heizungsnetz und/oder ein anderer Wärmeverbraucher sein. Ein Teil der ersten Komponente/n kann auch in einem Wärmetauscher kondensiert werden, der vorzugsweise in den Verdampfer integriert ist, wobei die hierbei freigesetzte Kondensationsenergie zumindest teilweise für die Verdampfung des Arbeits mittels, beispielsweise im Verdampfer, genutzt werden kann.
Ohne auf eine bestimmte Theorie festgelegt zu sein, wird angenommen, dass die erste gas- oder dampfförmige Komponente/n sich an das Austreibungsmittel anlagert, wobei Absorptionsenergie freigesetzt wird. Beispielsweise, wenn das Austreibungsmittel eine Salzlösung ist, tritt ein sogenannter Verdünnungseffekt auf, bei dem die Salzlösung die erste Komponente/n aufnimmt bzw. absorbiert und/oder adsorbiert.
Es wird folglich angenommen, dass im Austreiberwäscher die erste Komponente/n mit dem Austreibungsmittel kontaktiert wird, wobei die erste Komponente zumindest teilweise seinen Aggregatszustand von gasförmig auf flüssig ändert und/oder dass die erste Komponente vom Austreibungsmittel kondensiert, absorbiert und/oder adsorbiert wird, wobei Wärmeenergie freigesetzt wird.
Wie vorstehend beschrieben, wird durch die freiwerdende Absorptionsenergie die thermische Trennung der zweiten Komponente von der ersten Komponente im Austreiberwäscher ermöglicht. Dies ist energetisch betrachtet besonders vorteilhaft, da die Aggregationsänderung von gasförmig zu flüssig, insbesondere bei Wasser viel Wärmeenergie freisetzt, die auf die zweite Komponente/n übertragen werden kann.
Die kondensierte erste Komponente/n bildet mit dem Austreibungsmittel ein Gemenge, welches der Trennvorrichtung zugeführt wird. Erfindungsgemäß umfasst das Austreibungsmittel wenigstens eine ionische Verbindung, vorzugsweise wenigstens eine Salzlösung, besonders bevorzugt wenigstens eine Silikatlösung und am meisten bevorzugt wenigstens eine alkalische Silikatlösung. Das Gemenge kann mittels wenigstens einer Pumpe vom Austreiberwäscher über wenigstens einen Rekuperator, zwecks Wärmeaustausches zwischen Vorlauf der zweiten Komponente/n und Rücklauf des Gemenges, der Trennvorrichtung zugeführt und Austreibungsmittel von der Trennvorrichtung zurück zur Absorptionsvorrichtung gefördert werden.
Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass der Rückführungskreislauf der zweiten Komponente/n vom Rückführungskreislauf des Austreibungsmittels getrennt ist.
Nachstehend wird das erfindungsgemäße Verfahren eingehend erläutert.
Das bei herkömmlichen thermischen Entspannungsprozessen verfahrensbedingt festgelegte Verhältnis zwischen erzeugter mechanischer bzw. elektrischer Energie und anfallender Verlustwärme wird erfindungsgemäß aufgehoben, indem auf die Kondensation des Arbeitsmittels nach der Entspannung verzichtet wird. Die für die Entspannung erforderliche Druckminderung wird nicht durch Kondensation des gesamten Treibdampfes, sondern durch Absorption eines Teils des Treibdampfes realisiert. Damit wird die geforderte Volumenreduzierung nicht durch Abkühlung, sondern durch eine Abnahme der Anzahl der im Treibdampf befindlichen Teilchen realisiert. Als besonders elegantes Merkmal der erfindungsgemäßen Lösung ist anzusehen, dass durch entsprechende Auswahl eines azeotropen Gemisches mit Siedepunktminimum als Arbeitsmittel durch die Absorption der ersten Komponente die freigesetzte Absorptionsenergie auf die dampfförmig verbleibende zweite Komponente übertragen wird. Dadurch wird diese trotz der Entspannung über die Verdampfungstemperatur des Gemisches hinaus erwärmt. Damit wird es möglich, den Umwandlungswirkungsgrad als Verhältnis von gewonnener mechanischer Nutzarbeit und eingebrachter Wärmeenergie entscheidend zu verbessern, da ein wesentlicher Teil des Treibdampfes dampfförmig bleibt, also die zugehörige Kondensationswärme nicht dem Umwandlungsprozess entzogen wird, sondern für eine Nutzung auf dem erhöhten Temperaturniveau oder für die Rückführung in den Verdampfer zur Verdampfung von neuem Arbeitsmittel nutzbar ist. Erfindungsgemäß kann weiter vorgesehen sein, dass mit der Wärmeenergie, falls erforderlich nach einer Transformation auf ein höheres Temperaturniveau mittels einer oder mehrerer hintereinander angeordneter Wärmepumpen, in einem Austreiberaggregat die absorbierte erste Komponente eines Arbeitsmittels desorbiert wird und mit der erhöhten Desorpti- onstemperatur dampfförmig in den Verdampfer übertritt und Arbeitsmittel verdampft, dass die Entspannung in einer Niederdruck-Entspannungsvorrichtung erfolgt und die im entspannten dampfförmigen Arbeitsmittel enthaltene Energie mit der bei der Absorption der ersten Komponente übertragenen Absorptionsenergie erwärmten, dampfförmig verbleibenden zweiten Komponente entweder in den Verdampfer rückführbar ist und zur Verdampfung zusätzlichen Arbeitsmittels nutzbar ist, oder in einem zwischengeschalteten Wärmetauscher auf dem erhöhten Temperaturniveau für wärmeverbrauchende Prozesse genutzt werden kann.
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 rückführbar 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 rückführbar ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Arbeitsmittel-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. Insbesondere kann bei geeignet ausgewählten Azeotropmi- schungen 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 zurückgeführt werden kann.
Das Arbeitsmittel für die Niederdruck-Entspannung, beispielsweise ein azeotropes Gemisch aus Wasser und Perchloräthylen, kann beispielsweise durch Wärmeaustausch mit Primärenergie 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 aze- otropen Gemisches erwärmt, kann in und/oder nach der Entspannungsvorrichtung 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 und/oder elektrische Energie wesentlich verbessert werden. Weiterhin kann die dampfförmige zweite Komponente in einem Wärmetauscher Wärme auf einen wärmeverbrauchenden Prozess übertragen, bevor sie zurück in den Verdampfer gelangt.
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 Gemisches können je nach Typ deren Verdampfungstemperaturen abgesenkt werden, so dass diese unter den Verdampfungstemperaturen der einzelnen Komponenten liegen.
Bei einer alternativen Ausführungsform ist das Absorptionsmittel ein reversibel 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 Absorptionsmittel (im nicht- immobilisierten Zustand). Das reversibel immobilisierte Lösemittel ist in einem dampfförmigen Aggregatzustand und geht durch physikalisch-chemische 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.
Die Absorption der ersten Komponente kann beispielsweise bereits in der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung erfolgen. Des weiteren ist es selbstverständlich möglich, dass ein Austreiberwäscher, in der vorliegenden Beschreibung auch als Absorptionsvorrichtung bezeichnet, zum Beispiel als Wäscher ausgeführt ist, der der Niederdruck-Entspannungsvor- richtung nachgeschaltet ist. In einer möglichen Ausgestaltung kann in der Absorptionsvorrichtung 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 überführt wird und mit der kondensierten Phase der verbliebenen zweiten Komponente als azeotropes Gemisch wieder verdampft wird.
Als Absorptionssysteme bzw. Austreiberwäscher 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.
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. Als Niederdruck-Entspannungsvorrichtung kann eine Vorrichtung verwendet werden, bei der weder die Masse des Dampfes noch das Druckverhältnis, sondern allein die Druckdifferenz relevant ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform 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 Einspritzöffnung 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 ist.
Zweckmäßigerweise weist das Wälzkolbengebläse eine gasdichte Dichtung zwischen Schöpfraum und Getrieberaum auf, wobei in einer weiteren Ausführungsform das Wälzkolbengebläse mehrflügelige Rotoren umfasst.
Das Wälzkolbengebläse weist ferner eine Welle auf, die mit dem Generator verbunden werden kann, wodurch die mechanische in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Die Verwendung von einem Wälzkolbenmotor 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 rückführbar zu machen. Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass das Wälzkolbengebläse ein unter Druck stehendes Arbeitsmittel entspannt und nicht verdichtet.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft eine Anlage zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische, elektrische und/oder thermische Energie.
Erfindungsgemäß wird eine Anlage zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische, elektrische und/oder thermische Energie zur Verfügung gestellt, die folgende Komponenten umfassend: a) eine Verdampfereinheit (3), in der ein Gemisch, gebildet aus erster Komponente/n und zweiter Komponente/n, verdampfbar ist, b) eine Niederdruck-Entspannungsvorrichtung (4), die optional mit einem Generator (5) verbunden ist, wobei die Niederdruck-Entspannungsvorrichtung (4) der Verdampfereinheit (3) nachgeschaltet ist, c) einen Austreiberwäscher (6), wobei der Austreiberwäscher (6) bevorzugt in die Niederdruck-Entspannungsvorrichtung (4) integriert ist und/oder der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung (4) nachgeschaltet ist, d) eine Trennvorrichtung (2), die als thermisches Austreibersystem ausgebildet ist, in der die erste Komponente/n vom Austreibungsmittel getrennt wird, e) wenigstens eine zusätzliche Energiequelle (1 ), die der als Austreibersystem ausgebildeten Trennvorrichtung (2) Wärmeenergie zwecks Abtrennung der ersten Koponente/n von dem Austreibungsmittel/n zuführt.
Die Wärmeenergie zur Desorption bzw. Trennung der absorbierten ersten Komponente/n in der Trennvorrichtung, nachfolgend auch als Austreiber bezeichnet, kann durch beliebige Energiequellen bereitgestellt werden. Eine erfindungsgemäß geeignete Energiequelle/n (1) kann wenigstens eine Abgaswärmequelle, eine Abwärmequelle von Verbrennungsprozessen, eine geothermische Quelle, ein Sonnenkollektor, eine Wärmepumpe, eine Brennstoffzelle, eine Abwärmequelle von Kühlprozessen, ein Verbrennungsmotor und/oder ein Blockheizkraftwerk sein. Die Wärmeenergie muss jedoch auf einem oder zwei unterschiedlichen Temperaturniveau/s bereitgestellt werden, das oder die einerseits oberhalb der im Verdampfer eingestellten Verdampfungstemperatur des azeotropen Arbeits mittel-Gemisches sowie andererseits oberhalb der für die Desorption bzw. Trennung der absorbierten ersten Komponente/n im Austreiber oder für die Freisetzung im Falle eines anderen physikalisch-chemischen Prozesses zur Abtrennung der ersten Komponente liegt. Beispielsweise kann die Wärmeenergie aus der Verbrennung fossiler oder biogener Energieträger, Solarwärme, Brennstoffzelle/n sowie aus Abwärme vorgeschalteter thermischer Prozesse, bei Bedarf nach entsprechender Transformation des Temperaturniveaus mit Hilfe einer oder mehrerer Wärmepumpen stammen.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Wärmeenergie auch durch anfallende Wärme an Verbrennungsanlagen oder aus den Verlustwärmen aus der Kondensation in herkömmlichen thermischen Entspannungsprozessen zur Erzeugung von Strom anfallen. Wie oben ausgeführt, sind mit den herkömmlichen Verfahren zur Stromerzeugung durch die Entspannung von hochgespanntem Wasserdampf und durch die erforderliche Kondensation des Wasseidampfs nach der Turbine große Abwärmemengen verbunden, die als Verlustwärmen in Kühltürmen abgefahren werden müssen. Grundsätzlich bietet das erfindungs gemäße Verfahren die Möglichkeit, auch diese Wärmeenergie zumindest teilweise in mechanische Energie umzuwandeln. Voraussetzung ist die Transformation mit Hilfe von einer oder mehrerer Wärmepumpen auf ein hinreichend hohes Temperaturniveau. In einer bevorzugten Ausführungsform reicht in Verbindung mit Energieerzeugungsanlagen das Überschreiten der Verdampfungstemperatur des azeotropen Arbeitsmittelgemisches im Verdampfer, da die geforderte, in der Regel höhere Desorptionstemperatur im Austreiber vorzugsweise aus Wärmeenergie aufgebracht werden kann, die direkt der Primärverbrennung entnommen werden kann.
Besonders geeignet ist das vorgeschlagene Verfahren zur Umwandlung der an bekannten motorgetriebenen Block-Heiz-Kraftwerken (BHKW) anfallenden Abwärmen. Bei Umwandlungsprozessen mit Verbrennungsmotoren, bspw. Otto- oder Dieselmotoren, wird die einge- setzte Primärenergie in folgenden Relationen in Nutzenergie umgewandelt: etwa 36% mechanische Energie, 34% Motorabwärme im Kühlwasserkreislauf, 26% Abgas, 4% Strahlungsverluste. Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei diesem Verhältnis besonders vorteilhaft für die Umwandlung von BHKW-Abwärme genutzt werden, da die Abwärme auf zwei unterschiedlichen Temperaturniveaus anfällt, die Motorabwärme im Kühlwasserkreislauf bei etwa 90° bis 1000C, Abgas bis etwa 4000C. Dadurch können diese Abwärmen im Wesentlichen ohne weitere Transformation des Temperaturniveaus genutzt werden. Die Abgaswärme wird vorteilhaft direkt in den Austreiber, die Motorabwärme zur Unterstützung der Verdampfung in den Verdampfer eingespeist. Die im BHKW anfallenden Abwärmen können auch durch Wärmeaustauschprozesse auf Temperaturniveaus transformiert werden, so dass die anfallende Wärmeenergie möglichst weitgehend in der erfindungsgemäßen Anlage genutzt werden kann. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass in herkömmlicher Weise weiterhin ein Teil der anfallenden Abwärme auch für wärmeverbrauchende Prozesse genutzt werden kann.
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 Umgebungstemperaturen 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.
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.
Die erfindungsgemäße Anlage kann mindestens eine Pumpe umfassen, mittels derer das Gemenge umfassend erste Komponente/n und Austreibungsmittel vom Austreiberwäscher zur Trennvorrichtung, gegebenenfalls über einen Rekuperator, nach Wärmeaustausch zwischen Vorlauf der zweiten Komponente/n und Rücklauf des Gemenges, zur Trennvorrichtung und Austreibungsmittel von der Trennvorrichtung zurück zur Absorptionsvorrichtung gefördert wird.
Die Absorptionsvorrichtung kann vorzugsweise als Wäscher ausgeführt sein, worin erste Komponente/n mittels Austreibungsmittel kondensiert, adsorbiert und/oder absorbiert wird.
Die Anlage kann erfindungsgemäß so ausgelegt sein, dass der Rückführungsleitungskreis- lauf der zweiten Komponente/n vom Austreiberwäscher zum Verdampfer über die Niederdruck-Entspannungsvorrichtung zurück zum Austreiberwäscher getrennt von dem Rückfüh- rungsleitungskreislauf des Austreibungsmittels vom Austreiberwäscher über die Trennvorrichtung zum Austreiberwäscher verläuft, wobei vorzugsweise in den Rückführungsleitungs- kreislauf der zweiten Komponente/n eine Pumpe zwischengeschaltet ist, die zweite Komponente/n unter Druck in den Verdampfer leitet und in den Rückführungsleitungskreislauf des Austreibungsmittels optional ein Rekuperator zwischengeschaltet ist.
Ferner kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass der Rückführungsleitungskreislauf der zweiten Komponente/n wenigstens eine Wärmetauschereinheit aufweist, wobei die Wärmetauschereinheit vorzugsweise eine Kopplungseinrichtung aufweist.
Außerdem kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass der Rückführungsleitungskreislauf der ersten Komponente von der Trennvorrichtung zum Verdampfer über die Niederdruck- Entspannungsvorrichtung zum Austreiberwäscher zurück zur Trennvorrichtung geleitet ist, wobei vom Verdampfer bis zum Austreiberwäscher erste und zweite Komponenten gemeinsam geführt werden und vom Austreiberwäscher zurück zur Trennvorrichtung erste Komponente/n gemeinsam mit dem Austreibungsmittel geführt werden, wobei vorzugsweise in den Rückführungsleitungskreislauf vom Austreiberwäscher zur Trennvorrichtung optional ein Rekuperator zwischengeschaltet ist. Ferner kann zwischen der Trennvorrichtung und dem Verdampfer eine Rücklaufleitung mit Ventil angeordnet sein.
Die erste Komponente kann von der Trennvorrichtung als Dampf bzw. Gas in den Verdampfer geleitet werden. Die zweite Komponente kann als Dampf bzw. Gas aus dem Austreiberwäscher abgeleitet werden. Wenn die zweite Komponente thermische Energie an das Arbeitsmittel im Verdampfer abgibt, wird die zweite Komponente hierbei kondensiert und nach dem Wärmetausch wird das Kondensat der zweiten Komponente dem Verdampfer zugeleitet. Das im Verdampfer gebildete dampfförmige bzw. gasförmige Gemisch , d.h. Arbeitsmittel, wird unter Überdruck der Niederdruckentspannungsvorrichtung zugeführt. Hier wird das Arbeitsmittel druckentspannt und ggf. temperaturerniedrigt. Die hierbei freiwerdende Energie kann zur Umwandlung in mechanische und/oder elektrische Energie umgewandelt werden. Das Austreibungsmittel kann in fließfähiger Form, vorzugsweise in flüssiger Form dem Austreiberwäscher zugeführt werden, um die erste Komponente zu absorbieren. Das Kondensat, auch als Gemenge bezeichnet, aus erster Komponente und Austreibungsmittel wird in fließfähiger Form, bevorzugt als Flüssigkeit, der Trennvorrichtung zugeführt. Gegebenfalls kann in den Kreislauf des Austreibungsmittel ein Rekuperator, zwecks Wärmeaustausch zwischengeschaltet sein. Die so gewonnene thermische Energie kann der Trennvorrichtung und/oder dem Verdampfer zugeführt werden.
Die erfindungsgemäße Anlage wird nachstehend ausführlich beschrieben.
Der Gegenstand der Erfindung bezieht sich auf eine Anlage mit einem Verdampfer, in dem ein Arbeitsmittel umfassend erste und zweite Komponente/n, nachstehend auch als Gemisch bezeichnet, vorzugsweise ein azeotropes Gemisch ausbildet, welches im Verdampfer verdampft und gegebenenfalls eine Druckerhöhung erfährt. Diese komprimierte gasförmige Gemisch wird einer Niederdruck-Entspannungsvorrichtung, mit einer Absorptionsvorrichtung, die in der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung integriert ist und/oder der Niederdruck- Entspannungsvorrichtung nachgeschaltet ist zugeführt, 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 rück- führbar ist. In der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung wird das Arbeitsmittel-Gemisch aus erster Komponente/n und zweiter Komponente/n entspannt und gegebenenfalls erfährt das Arbeitsmittel-Gemisch eine Temperaturerniedrigung.
Sofern die verfügbare Wärmeenergie nicht auf einem hinreichend hohen Temperaturniveau zur Verfügung steht, wird zunächst die Wärmeenergie mit Hilfe von mindestens einer Wärmequelle bzw. Energiequelle, bevorzugt Wärmepumpe, auf das geforderte Temperaturniveau für die Verdampfung des Arbeitsmittels bzw. für die Trennung der ersten Komponente vom Austreibungsmittel durch thermische Desorption transformiert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung wird dazu der beschriebene Absorptions-Desorptions- Prozess mit einer azeotropen Mischung als Arbeitsmittel unter Verzicht auf die Niederdruckentspannung als Chemiesorptions-Wärmepumpe genutzt. Die Funktionsweise dieser Wärmepumpe entspricht also sinngemäß den vorstehenden Ausführungen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, wird die von dem Gemenge aus erster Komponente und Austreibungsmittel freigesetzte Absorptionswärmeenergie der ersten Komponente zur Verdampfung der zweiten Komponente/n des Arbeitsmittels genutzt, das dann durch Wärmeenergieeintrag, gegebenenfalls mittels 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 hierbei freiwerdende Energie wenigstens teilweise in mechanische und/oder elektrische Energie umgesetzt wird.
In einer weiteren Ausführungsform für eine Wärmepumpe, mit der die Wärmeenergie (1) auf ein hinreichend hohes Temperaturniveau transformiert wird, wird eine erfindungsgemäße Wärmepumpe mit mindestens einem mechanischen Verdichter vorgesehen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass einerseits die Temperaturerhöhung des Arbeitsmittels durch eine mechanische Verdichtung erfolgt und andererseits die Temperatur des Arbeitsmittels zusätzlich mittels eines Verdichters durch einen Wärmeaustausch mit einer zweiten Komponente/n, die im Wärmeenergieaustausch 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 lässt sich durch das erfindungsgemäße Verfahren erheblich verbessern.
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 realisieren. 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 Schmierfunktion 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.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen verfahrenstechnischen Trennung von Verdichtung und Erwärmung in der Flüssigkeitsringpumpe liegt in der Möglichkeit, Temperaturen des Arbeitsmittels nach der Temperaturerhöhung von über 1804O realisieren zu können. Besonders günstig sind Betriebsmittel wie hochsiedende Silikonöle oder Diesteröle oder Weichmacher wie Dioctylphthalat mit Viskositäten bis zu 50 centistoke (cts). Vorteilhafterweise ist die Siedetemperatur des Betriebsmittels höher als die Temperatur des Arbeitsmittels nach der Temperaturerhöhung. Ferner ist es möglich, dass das Arbeitsmittel 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 anreichern 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 Aerosolabscheider 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 Ausführungsform der Erfindung wieder in den Verdichter gefördert werden.
Zweckmäßigerweise ist der Trennanordnung und/oder dem Aerosolabscheider ein Kondensator nachgeschaltet, wobei das anfallende Kondensat der ersten Komponente/n und/oder Arbeitsmittel dem Verdampfer zugeführt wird. Im Kondensator kondensiert die erste Komponente/n und/oder Arbeitsmittel unter einem erhöhtem Druck, der dirch den Verdichter &- zeugt wurde, wobei erste Komponente/n und/oder Arbeitsmittel Wärme auf einem hohen Temperaturniveau abgeben kann. Das anfallende Kondensat gelangt vorzugsweise über ein Entspannungsventil wieder zum Verdampfer zurück.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung betrifft die Nutzung der Wärmeenergie aus der atmosphärischen Luft als Energiequelle mit dem darin als Luftfeuchtigkeit gelösten Wasserdampf. Beispielsweise kann das bei der Verwendung von Wärmepumpe/n als Energiequelle auftretende Kondensat-Wasser in einem zusätzlichen Verfahrensschritt zu Brauchwasser und/oder zu Wasser mit Trinkwasserqualität aufbereitet wird. 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 liegt in ihrem fluiden Charakter, so dass sie aufgrund natürlicher oder erzeugter Strömung in großen Volumenströmen durch Wärmeaustauschapparate geführt 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.
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 Temperaturniveau 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 Energie rückführbar 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. 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 liegt die mittlere Arbeitsziffer für erfindungsgemäße Anlagen bei 5 bis 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.
Der Gesamtwirkungsgrad der erfindungsgemäßen Anlage zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie liegt vorzugsweise bei > 40%, bevorzugt > 50% und besonders bevorzugt bei > 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.
Bei den erfindungsgemäßen Anlagen kann es vorteilhaft sein, wenn die Temperatur des Arbeitsmittels vor der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung höher ist, als die Temperatur des Arbeitsmittels nach der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung und vor der Absorptions Vorrichtung. Hingegen ist die Temperatur des Arbeitsmittels in der Verdampfereinheit höher als die Temperatur des Arbeitsmittels nach der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung und vor der Absorptionsvorrichtung.
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 ausmachen. Am meisten bevorzugt liegt die Temperatur des Arbeitsmittels im Verdampfer oberhalb der Siedetemperatur.
Der Überdruck des Arbeitsmittels, bezogen auf Normaldruck (Atmosphärischer Druck), vor der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung kann im Bereich von 0,3 bar bis15 bar liegen. Höhere Drücke sind möglich, allerdings bedürfen derartige Anlagen einen erhöhten Materialaufwand, so dass der Überdruck des Arbeitsmittels in der Zuleitung vom Verdampfer zu der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung vorzugsweise im Bereich von 1 bar bis10 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.
Die Druckdifferenz ΔP des Arbeitsmittels vor der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung und unmittelbar nach cer 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.
Bei Verwendung eines Arbeitsmittels umfassend als erste Komponente Wasser und als zweite Komponente Silikon können beispielsweise im Verdampfer eine Temperatur von 100°
C und ein Überdruck, bezogen auf Normaldruck, von etwa 1 bar vorliegen. In der Trennvorrichtung, auch als Austreiberaggregat bezeichnet, kann eine Temperatur zum Austreiben bzw. zur Desorption der ersten Komponente von dem Austreibungsmittel, d.h. Gemenge, von etwa 200° C und einen Überdruck, bezogen auf Normaldruck, von etwa 1 bar aufweisen. Die abgetrennte dampfförmige erste Komponente kann eine Dampftemperatur von etwa 120° C und einen Überdruck, bezogen auf Normaldruck, von etwa 1 bar aufweisen. Im Austreiberwäscher herrscht Normaldruck, wobei die zweite Komponente des Arbeitsmittels eine Verdampfungstemperatur von etwa 90° C bis 120° C aufweist.
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 Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigt
Figur 1 eine Anlage zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische/elektrische und thermische Nutzenergie in variablem Verhältnis.
Hierbei wird eine Ausführungsform mit einer Niederdruck-Entspannung mit einem azeotro- pen Gemisch als Arbeitsmittel, Absorption der ersten Komponente in einem Wäscher und Desorption in einer Trennvorrichtung, nachstehend als Austreiberaggregat bezeichnet, über eine Auskopplung der Nutzwärme über einen Wärmetauscher in der Rückführungsleitung der dampfförmig verbleibenden zweiten Komponente des Arbeitsmittelgemisches zugrundegelegt.
Die extern eingebrachte Wärmeenergie der Energiequelle (1) beheizt eine Trennvorrichtung (2), in dem sich eine alkalische Silikatlösung als Absorptionslösung mit absorbiertem Wasser befindet. Die Absorptionslösung wird durch die eingebrachte Wärmeenergie so weit erhitzt, dass das absorbierte Wasser desorbiert und als Brüden in den Verdampfer (3) übertritt und durch Wärmeaustausch bzw. Kondensation die darin befindliche zweite Komponente erwärmt und ein Gemisch aus erster und zweiter Komponente ausbildet, nachstehend als Arbeitsmittel bezeichnet. Für das als Arbeitsmittel verwendete Gemisch ist beispielhaft eine azeotrope Mischung aus Wasser und Silikon gewählt. Der im Verdampfer (3) erzeugte Treibdampf wird über die Entspannungsvorrichtung (4) entspannt, wobei die Energie des Treibdampfs des Arbeitsmittels zumindest teilweise in mechanische Kraft umgewandelt wird, die mit Hilfe des angeschlossenen Generators (5) in elektrische Energie umgewandelt wird. Das entspannte Arbeitsmittel wird in dem nachgeschalteten Austreiberwäscher (6) mit einem Austreibungsmittel, nachstehend auch als Absorptionslösung bezeichnet, aus dem Austreiberaggregat (2) gewaschen, wobei der Wasseranteil im entspannten Treibdampf absorbiert wird. Durch die Absorption wird zum einen durch Reduzierung der Teilchenzahl die für die Entspannung gewünschte Druckminderung realisiert, zum anderen wird die freigesetzte Absorptionsenergie auf die dampfförmig verbleibende zweite Komponente, hier Silikon, übertragen. Dadurch wird diese zweite Komponente auf ein Temperaturniveau erwärmt, das o- berhalb der Verdampfungstemperatur des als Arbeitsmittel dienenden azeotropen Gemisches liegt. Dieses Temperaturniveau stellt sich entsprechend den in der Anlage eingestellten Druckverhältnissen ein.
Die so erwärmte dampfförmige zweite Komponente wird über eine Dampfleitung einer Wärmetauschereinheit (8) zugeleitet, und gibt dort im Wärmeaustausch Energie an eine Kopplungseinrichtung, wie einem Heizkreislauf (9), beispielsweise zur Versorgung wärmeverbrauchender Prozesse ab. Entsprechend abgekühlt bzw. teilkondensiert verlässt die zweite Komponente die Wärmetauschereinheit (8) und wird in einer Leitung durch und/oder an den Verdampfer (3) geführt, zwecks Wärmetausch mit dem im Verdampfer befindlichen siedenden Arbeitsmittel, wobei die geleitete zweite Komponente unter Abgabe seiner Kondensationswärme an das Arbeitsmittel vollständig kondensiert.
Das kondensierte Arbeitsmittel wird anschließend mit der Pumpe (7) zurück in den Verdampfer (3) gefördert. Die Absorptionslösung wird zwischen der Trennvorrichtung (2) und Austreiberwäscher (6) umgepumpt, wobei ein Rekuperator (11) zwischen Vor- und Rücklauf eine Abkühlung der Absorptionslösung vor Eintritt in den Austreiberwäscher bewirkt und damit eine Verbesserung der Absorptionsfähigkeit bezüglich der ersten Komponente. Die damit erreichte Entkopplung von Absorptions- und Desorptionstemperatur verbessert die Stabilität des Absorptions-/Desorptions- bzw. Kondensations-Prozesses. Eine RücMaufleitung zwischen Trennvorrichtung (2) und Verdampfer (3) dient zur Stabilisierung der Zusammensetzung des Gemisches. Die erfindungsgemäße Anlage kann zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische, elektrische und/oder thermische Energie verwendet werden.
Die erfindungsgemäße Anlage kann insbesondere zum Beheizen und/oder zur Energieversorgung von Gebäuden und dergleichen verwendet werden.
Die erfindungsgemäße Anlage kann allein oder in Kombination mit herkömmlichen Antriebssystemen, z.B. Verbrennungsmotoren oder Batterien, verwendet werden. So lassen sich beispielsweise Hybridantriebe realisieren.
Die erfindungsgemäße Anlage kann allein oder in Kombination mit mindestens einem Verbrennungs- oder Elektromotor in der Ausführungsform eines Hybridantriebs zum Antrieb sehr unterschiedlicher mobiler Systeme genutzt werden.
Grundsätzlich sind als mobile Systeme Kraftfahrzeuge, Schiffe und/oder Flugkörper denkbar.
Bezuqszeϊchen liste
1 Energiequelle
2 Trennvorrichtung, Austreiberaggregat
3 Verdampfer
4 Niederdruck-Entspannungsaggregat
5 Generator
6 Austreiberwäscher, Wäscher
7 Pumpe, Umwälzpumpe
8 Wärmeaustauschereinheit
9 Kopplungseinrichtung für Heizungsnetz, Wärmeverbraucher
10 Pumpe
11 Rekuperator, Wärmeaustauschereinheit
12 Rücklauf leitung mit Ventil

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische, elektrische und/oder thermische Energie mit hohem Wirkungsgrad durch Entspannung eines gasförmigen Gemisches in einer mit einem Verdampfer (3) verbundenen Entspannungsvorrichtung
(4), dadurch gekennzeichnet, dass
- in einer Trennvorrichtung (2) wenigstens eine erste Komponente eines Gemenges unter Zuführung von Wärmeenergie von einer Energiequelle (1) ausgetrieben und in einen Verdampfer (3) überführt wird, wobei das Gemenge wenigstens eine erste Komponente und wenigstens ein Austreibungsmittel umfasst, wobei das Austreibungsmittel einem Austreiberwäscher (6) separat zugeleitet wird,
- der ausgetriebenen ersten Komponente/n in dem Verdampfer (3) mindestens eine zweite Komponente/n unter Ausbildung eines Gemisches zugesetzt wird,
- das aus der ausgetriebenen ersten Komponente/n und der zweiten Komponente/n gebildete Gemisch als Dampf in Form eines komprimierten Gases wenigstens einer Niederdruck-Entspannungsvorrichtung (4) zugeführt und entspannt wird, wobei die bei der Entspannung freiwerdende Energie teilweise in mechanische, e- lektrische und/oder thermische Energie umwandelbar ist,
- das entspannte Gemisch wenigstens einem Austreiberwäscher (6) zugeführt wird, worin dem Gemisch das Austreibungsmittel zugesetzt wird, worin die erste Komponente und das Austreibungsmittel ein Gemenge unter Freisetzung von Wärmeenergie ausbilden, dabei wenigstens einer ersten Komponente des Gemenges Energie entzogen wird und die zweite Komponente/n dadurch eine Temperaturerhöhung erfährt und vom Gemenge abgetrennt wird,
- das Gemenge aus dem Austreiberwäscher (6) in die Trennvorrichtung (2) rückgeführt wird, und dass die zweite Komponente/n aus dem Austreiberwäscher (6) in den Verdampfer (3) rückgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die in dem aus dem Austreiberwäscher (6) abgetrennten temperaturerhöhten zweiten Komponente/n separat zurück zum Verdampfer (3) gefördert werden, wobei enthaltene Wärmeenergie mittels eines Wärmeaustauschers (8) zumindest teilweise entzogen wird und/oder zur Verdampfung von zusätzlicher zweiten Komponente/n im Verdampfer (3) genutzt wird, wobei der Wärmeaustauscher (8) optional mit einem Kopplungseinrichtung (9) verbunden ist, wobei das nach Abgabe der Wärmeenergie vorliegende Kondensat mit einer Pumpe (10) in den Verdampfer (3) eingebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemenge in der Trennvorrichtung (2), die als thermisches Austreibersystem ausgebildet ist, in erste K)mponente/n und Austreibungsmittel getrennt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemenge mittels wenigstens einer Pumpe (7) vom Austreiberwäscher (6) über wenigstens einen Rekuperator (11), zwecks Wärmeaustausches zwischen Vorlauf der zweiten Komponente/n und Rücklauf des Gemenges, der Trennvorrichtung (2) zugeführt und Austreibungsmittel von der Trennvorrichtung (2) zurück zur Absorptionsvorrichtung (6) gefördert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruck-Entspannungsvorrichtung (4) zwecks Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische und/oder elektrische Energie mit einem Generator (5) in Kontakt steht.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückführungskreislauf der zweiten Komponente/n vom Rückführungskreislauf des Austreibungsmittels getrennt ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch aus erster Komponente/n und zweiter Komponente/n ein Azeotrop ausbildet.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Austreibungsmittel die erste Komponente kondensiert, absorbiert und/oder adsorbiert.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Austreibungsmittel wenigstens eine ionische Verbindung umfasst, vorzugsweise wenigstens eine Salzlösung ist, besonders bevorzugt wenigstens eine Silikatlösung und am meisten bevorzugt wenigstens eine alkalische Silikatlösung ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Komponente/n ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Wasser, Alkohol, Säure, Keton, Aldehyd und/oder Silikon, wobei ein Gemisch aus erster und zweiter Komponente/n besonders bevorzugt eine wässri- ge Silikonlösung ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Komponente/n ein Lösemittelgemisch mit geringer molarer Verdampfungsenthalpie ist, das organische und/oder anorganische Lösemittelkomponenten aufweist, wobei bevorzugt eine der Komponenten ein proti- sches Lösemittel ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemenge aus erster Komponente/n und Austreibungsmittel in der Trennvorrichtung (2) in fließfähiger und bevorzugt in flüssiger Form vorliegt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Komponente/n zumindest teilweise seinen Aggregatszustand von gasförmig nach flüssig im Austreiberwäscher (6) ändert, wobei die erste Komponente/n vom Austreibungsmittel bevorzugt absorbiert und/oder adsorbiert wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Austreiberwäscher (6) die erste Komponente/n mit dem Austreibungsmittel kontaktiert wird, wobei die erste Komponente zumindest teilweise seinen Aggregatzustand von gasförmig auf flüssig ändert, absorbiert und/oder adsorbiert wird, und/oder dass die erste Komponente vom Austreibungsmittel kondensiert, absorbiert und/oder adsorbiert wird, wobei Wärmeenergie freigesetzt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der benötigten Energie, vorzugsweise die gesamte Energie, die zur Temperaturerhöhung und Abtrennung der zweiten Komponente/n vom Gemenge erforderlich ist, durch die durch Kondensation, Absorption und/oder Adsorption frei werdende Energie der ersten Komponente in Gegenwart des Austreibungsmittels gewinnbar ist.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der ersten Komponente/n in einem Wärmetauscher kondensiert wird, der vorzugsweise in den Verdampfer integriert ist, wobei die hierbei freigesetzte Kondensationsenergie zumindest teilweise für die Verdampfung des Arbeitsmittels genutzt wird.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruck-Entspannungsvorrichtung (4) ein Wälzkolbengebläse oder eine Oval radpumpe ist, wobei die Niederdruck-Entspannungsvorrichtung bevorzugt mit mindestens einer Einspritzöffnung ausgeführt ist, durch die ein Absorptionsmittel oder ein protisches Lösemittel in die Entspannungsvorrichtung einbringbar ist.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Trennung des Gemenges aus erster Komponente/n und Austreibungsmittel in der Trennvorrichtung (2) benötigte Energie zumindest teilweise von einer Energiequelle (1) umfassend Abgaswärme, Abwärme von Verbrennungsprozessen, geothermischen Quellen, Sonnenkollektoren, Wärmepumpen, Brennstoffzellen, Abwärme von Kühlprozessen, einem Verbrennungsmotor, einem Blockheizkraftwerk stammt.
19. Anlage zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische, elektrische und/oder thermische Energie nach einem der Ansprüche 1 bis 18 umfassend: e) eine Verdampfereinheit (3), in der ein Gemisch, gebildet aus erster Komponente/n und zweiter Komponente/n, verdampfbar ist, f) eine Niederdruck-Entspannungsvorrichtung (4), die optional mit einem Generator (5) verbunden ist, wobei die Niederdruck-Entspannungsvorrichtung (4) der Verdampfereinheit (3) nachgeschaltet ist, g) einen Austreiberwäscher (6), wobei der Austreiberwäscher (6) bevorzugt in die Niederdruck-Entspannungsvorrichtung (4) integriert ist und/oder der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung (4) nachgeschaltet ist, h) eine Trennvorrichtung (2), die als thermisches Austreibersystem ausgebildet ist, in der die erste Komponente/n vom Austreibungsmittel getrennt wird, i) wenigstens eine zusätzliche Energiequelle (1), die der als Austreibersystem ausgebildeten Trennvorrichtung (2) Wärmeenergie zwecks Abtrennung der ersten Koponente/n von dem Austreibungsmittel/n zuführt.
20. Anlage nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage mindestens eine Pumpe (7) aufweist, mittels der das Gemenge umfassend erste Komponente/n und Austreibungsmittel vom Austreiberwäscher (6) zur Trennvorrichtung (2) über einen Rekuperator (11), nach Wärmeaustausch zwischen Vorlauf der zweiten Komponente/n und Rücklauf des Gemenges, zur Trennvorrichtung (2) und Austreibungsmittel von der Trennvorrichtung (2) zurück zur Absorptionsvorrichtung (6) gefördert wird.
21. Anlage nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle/n (1) wenigstens eine Abgaswärmequelle, eine Abwärmequelle von Verbrennungsprozessen, eine geothermische Quelle, ein Sonnenkollektor, eine Wärmepumpe, eine Brennstoffzelle, eine Abwärmequelle von Kühlprozessen, ein Verbrennungsmotor und/oder ein Blockheizkraftwerk ist.
22. Anlage nach einem der Ansprüche 19 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruck-Entspannungsvorrichtung (4) ein Wälzkolbengebläse oder eine Ovalradpumpe ist.
23. Anlage nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruck-Entspannungsvorrichtung (4) mit einem Generator verbunden ist (5), der mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt.
24. Anlage nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionsvorrichtung (6) als Wäscher ausgeführt ist, worin erste Komponente/n mittels Austreibungsmittel kondensiert, adsorbiert und/oder absorbiert wird.
25. Anlage nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückführungsleitungskreislauf der zweiten Komponente/n vom Austreiberwäscher (6) zum Verdampfer (3) über die Niederdruck- Entspannungsvorrichtung (4) zurück zum Austreiberwäscher (6) getrennt von dem Rückführungsleitungskreislauf des Austreibungsmittels vom Austreiberwäscher (6) über die Trennvorrichtung (2) zum Austreiberwäscher (6) verläuft, wobei vorzugsweise in den Rückführungsleitungskreislauf der zweiten Komponente/n eine Pumpe zwischengeschaltet ist, die die zweite Komponente/n unter Druck in den Verdampfer (3) leitet ind in den Rückführungsleitungskreislauf des Austreibungsmittels vorzugsweise ein Rekuperator (11) zwischengeschaltet ist.
26. Anlage nach einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückführungsleitungskreislauf der zweiten Komponente/n wenigstens eine Wärmetauschereinheit (8) aufweist, wobei die Wärmetauschereinheit (8) vorzugsweise eine Kopplungseinrichtung (9) aufweist.
27. Anlage nach einem der Ansprüche 19 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückführungsleitungskreislauf der ersten Komponente von der Trennvorrichtung (2) zum Verdampfer (3) über die Niederdruck- Entspannungsvorrichtung (4) zum Austreiberwäscher (6) zurück zur Trennvorrichtung geleitet ist, wobei vom Verdampfer (2) bis zum Austreiberwäscher (6) erste und zweite Komponenten gemeinsam geführt werden und vom Austreiberwäscher (6) zirück zur Trennvorrichtung (2) erste Komponente/n gemeinsam mit dem Austreibungsmittel geführt werden, wobei vorzugsweise in den Rückführungsleitungskreislauf vom Austreiberwäscher (6) zur. Trennvorrichtung (2) ein Rekuperator (11) zwischengeschaltet ist.
28. Anlage nach einem der Ansprüche 19 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Trennvorrichtung (2) und dem Verdampfer (3) eine Rücklaufleitung mit Ventil (12) angeordnet ist.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei das Verfahren einen zusätzlichen Verfahrensschritt aufweist, bei dem das bei der Verwendung von Wärmepumpe/n als Energiequelle (1) auftretende Kondensat-Wasser in einem zusätzlichen Verfahrensschritt zu Brauchwasser und/oder zu Wasser mit Trinkwasserqualität aufbereitet wird.
30. Verwendung einer Anlage nach einem der Ansprüche 19 bis 28 zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische, elektrische und/oder thermische Energie.
31. Verwendung einer Anlage nach einem der Ansprüche 19 bis 28 als Antrieb mobiler Antriebssysteme.
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