EP2156019A1 - Einrichtung und verfahren zur stromerzeugung aus wärme - Google Patents

Einrichtung und verfahren zur stromerzeugung aus wärme

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EP2156019A1
EP2156019A1 EP08773354A EP08773354A EP2156019A1 EP 2156019 A1 EP2156019 A1 EP 2156019A1 EP 08773354 A EP08773354 A EP 08773354A EP 08773354 A EP08773354 A EP 08773354A EP 2156019 A1 EP2156019 A1 EP 2156019A1
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EP
European Patent Office
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turbine
medium
evaporator
generator
temperature
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08773354A
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English (en)
French (fr)
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Hermann Helmbold
Franz Wimmer
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Tri-O-Gen BV
Original Assignee
Conpower Energieanlagen GmbH and Co KG
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Publication date
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Application filed by Conpower Energieanlagen GmbH and Co KG filed Critical Conpower Energieanlagen GmbH and Co KG
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to a device and a method for generating electricity from heat, with a generator and the dynamics of a moving medium receiving turbine, according to the preamble of claim 1 and 15.
  • the dynamics of the medium receiving turbine wheel is often connected via a gearbox with the power generator. This applies both to slow-running turbine wheels such as in the wind energy intake, but also in steam power plants. There are used equally gear for motion coupling. These should lead to a homogenization between turbine speed and generator speed by appropriate reduction or translation.
  • the invention is therefore the object of a device of the generic type to that effect develop further that the coupling between the turbine and generator is free of said mechanical disadvantages, and the energy consumption and ultimately the energy conversion from the medium is more effectively usable.
  • the core of the invention is that the turbine and the
  • the turbine is a radial centripetal turbine, which flows laterally to the axis of rotation with the medium and the medium in the axial direction can be centrally flowed out of the turbine.
  • This is structurally particularly for compact systems of considerable advantage.
  • Another advantage lies in the optimal efficiency of such a turbine wheel construction, which is provided with curved laterally approaching blades.
  • the generator is a brushless, preferably a generator with permanent magnets.
  • the friction resistances are significantly lower than with a generator with brushes.
  • Air bearings are sections on bearing shafts that are surface-textured. This leads to a higher speed Air cushion on which the bearing shaft or the supported shaft then runs.
  • the low-temperature ORC plant (Organic Rankine Cycle) also has at least one evaporator stage, at least one condensation stage, and a pump for returning the condensed medium from the condenser stage to the evaporator stage.
  • the turbine-generator arrangement works optimized.
  • a particular embodiment is that the pump is also arranged on the common and / or jointly mounted axis together with the generator and the turbine.
  • the ORC system can be built extremely compact. For structural realization, only the wiring must be made accordingly, but this is completely easy. Due to the co-arrangement of the return pump for the circulating medium on the same axis as the turbine and generator, thus eliminating conversion losses of otherwise existing electrical components.
  • the pump is mechanically taken directly to the power consumption of the impinged turbine. Overall, this increases the overall efficiency, which is clearly visible in the energy balance.
  • low-temperature evaporating fluorinated hydrocarbons are used as the medium. These media evaporate at room temperature or below. When the system is operated at an evaporation temperature well above room temperature, it works with good pressure values to generate an effective flow to the turbine.
  • a particularly advantageous material for use as a medium is 1, 1, 1,33-pentafluoro-propane.
  • the evaporator can be heated via a heat exchanger, which consists of a heat transfer medium (water or thermal oil)
  • Solar panels is operable. Systems of this kind even have an enormous utility value for private applications in residential buildings. Thus, the solar heat of conventional solar panels can at least partially exude the heat, and feed the electricity into the power grid.
  • An inventive device according to this embodiment has a very good efficiency. It may be competitive with semiconductor solar cell systems as a combined facility for either low wattage or combined heat and power generation.
  • a further advantageous embodiment is that the evaporator can be heated via a heat exchanger, which in turn can be heated from waste heat. So the said device can also be used and used there be where energy is generated in the form of waste heat, which is then emitted via this ORC technological design.
  • the evaporator and the solar collector or the solar panels have a common closed medium circuit, such that the evaporator medium can be heated directly without heat exchanger in the tubes of the solar panels.
  • the evaporator medium can be heated directly without heat exchanger in the tubes of the solar panels.
  • a last advantageous embodiment is that while the capacitor stage is designed as a tube bundle or as a kind of heat sink with a folded surface through which the heat transfer to the environment, to a house heating, in a district heating network or in a heat storage can be issued.
  • the cooling of the capacitor is carried out by heat exchange with the environment, or in the manner specified above.
  • a device of this type has a considerable benefit in terms of climate-friendly energy production.
  • the essence of the invention is that the evaporation temperature T2 in the evaporator during operation between 50 0 C and 130 0 C and is set, and that after passing through the medium through the turbine, a cooling by at least 30 K takes place.
  • the evaporation temperature T2 is preferably set at about 70 0 C.
  • a temperature control is specified, in which the
  • Condensation cooling in the condenser is cooled by a heat exchanger approximately to the return temperature Tl of the medium to the evaporator, such that the temperature differences .DELTA.T between return temperature Tl and evaporator temperature T2, are the same in both directions.
  • the waste heat produced in the condensation cooling is used as heating energy or is separately nachverstromt on the temperature level obtained.
  • Figure 1 embodiment with turbine and generator on one axis.
  • Figure 2 Radial centripetal turbine.
  • FIG. 3 exemplary embodiment with turbine
  • Figure 4 embodiment with integration of the evaporator stage directly in solar panels.
  • Figure 1 shows a first embodiment in which the turbine of the turbine 3 are arranged with the generator on a physically common axis A. It should be noted here that, in contrast to the prior art described above, the turbine and the
  • the turbine wheel of the turbine 3 is using the effluent from the evaporator 1 evaporator medium, in this example
  • Turbine wheel of the turbine 3 flows.
  • the so-flowed turbine wheel absorbs this energy and through the rotationally fixed connection via the common axis A with the generator 4, and the rotor of the generator 4, this is driven.
  • the generator is designed, for example, as a brushless permanent-magnet-excited generator.
  • the generated electrical energy is then at the output 10.
  • the turbine 3 is equipped as a radial centripetal turbine with a turbine wheel 11 shown in more detail later in FIG. 2, in which the medium flows tangentially onto the turbine wheel 11 and is then centrally discharged by means of a corresponding lamination.
  • the medium flows into a condenser 2, which cools down the medium again via a heat exchanger 7.
  • the heat absorbed in turn can be used again, or nachverströmt, or recycled.
  • the cooled and condensed medium is cooled down to a condensation temperature of T2 and pumped via a return pump 5 back into the evaporator 1. This is externally supplied with heat and the process then continues. This means that the medium is in a closed cycle.
  • a coolant is passed through a heat exchanger pipe at a low temperature.
  • the heat absorbed by the heat exchanger 7 is either used or recycled in the said manner.
  • Generator 4 and turbine 3 can also be housed in an assembly 20.
  • An exemplary temperature control will vary depending on the pressure and medium used, such that T1, i. the
  • a coolant is supplied at about T3 equal to 10 0 C and discharged to about T4 equal to 40 0 C again.
  • Turbine wheel 11 This is flowed at the edge in approximately tangential to the vaporized medium.
  • the medium is conducted through the lamellar guide to the center of the turbine wheel and can flow out there centrally, before it is then fed to the capacitor as in Figure 1.
  • FIG. 3 shows a particularly advantageous embodiment, in which not only generator 4 and turbine 3 or turbine wheel 11 and rotor are arranged on a common physical axis A, but additionally the
  • Return pump 5 This has not only the advantage that the energy for the return pump 5 is applied directly from the generated mechanical energy of the turbine wheel, which further increases the efficiency, but the design of the entire device is characterized even more compact.
  • FIG 4 shows an embodiment in which instead of a separate evaporator 1, the bottom side as shown in Figure 1 thermal energy must be supplied through the evaporator heat exchanger 40, instead now the evaporator 30 is integrated into the tubes of a solar collector immediately.
  • the tubes of the solar collector must be installed only pressure resistant and designed so that the absorbed solar energy, the medium, for example, the said penta-fluoropropane is immediately evaporated in the tubes of the solar collector 30, and the steam is then fed directly to the turbine.
  • the further embodiment can then be formed again according to FIG. 1 or FIG. In both cases, the evaporator 1 need only be exchanged for a pressure-resistant solar collector 30.
  • the bearings of the common axis may also be magnetic or air bearing, which both increases the smoothness, and greatly reduces the friction losses. Overall, this feature also increases the achievable in the overall process efficiency.
  • butane or penta-fluoro-propane are exemplary only. Possible are all media with correspondingly low boiling point.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Stromerzeugung aus Wärme, mit einem Generator (4) und einer die Dynamik eines bewegten Mediums aufnehmenden Turbine (3). Um hierbei zun erreichen, dass die Kopplung zwischen Turbine (3) und Generator (4) frei von genannten mechanischen Nachteilen ist, und die Energieaufnahme und letztlich die Energieumwandlung aus dem Medium effektiver nutzbar ist, ist erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Turbine (3) bzw. das Turbinenrad (11) und der Generator (4) auf einer gemeinsamen und/oder gemeinsam gelagerten Achse (A) angeordnet sind.

Description

Einrichtung und Verfahren zur Stromerzeugung aus Wärme
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung sowie ein Verfahren zur Stromerzeugung aus Wärme, mit einem Generator und einer die Dynamik eines bewegten Mediums aufnehmenden Turbine, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1 und 15.
Bei der Erzeugung elektrischer Energie aus der Dynamik eines bewegten Mediums ist das die Dynamik des Mediums aufnehmende Turbinenrad oftmals über ein Getriebe mit dem Stromgenerator verbunden. Dies gilt sowohl bei langsam laufenden Turbinenrädern wie bspw auch bei der Windenergieaufnahme, aber auch in Dampfkraftwerken. Dort werden gleichermaßen Getriebe zur Bewegungskopplung eingesetzt. Diese sollen zu einer Vergleichmäßigung zwischen Turbinendrehzahl und Generatordrehzahl durch entsprechende Untersetzung oder Übersetzung führen.
Es ist bereits bekannt, bei einer Turbine-Generator- Kopplung im Falle einer Gasturbine auf ein dazwischen angeordnetes Getriebe zu verzichten. Eine solche Einrichtung ist aus der EP 1 367 690 Bl für einen speziellen Anwendungsfall bekannt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der gattungsgemäßen Art dahingehend weiterzuentwickeln, dass die Kopplung zwischen Turbine und Generator frei von genannten mechanischen Nachteilen ist, und die Energieaufnahme und letztlich die Energieumwandlung aus dem Medium effektiver nutzbar ist.
Die gestellte Aufgabe ist bei einer Einrichtung der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst .
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen 2-14 angegeben.
Hinsichtlich eines Verfahrens ist die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 15 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den übrogen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Kern der Erfindung ist, dass die Turbine und der
Generator auf einer gemeinsamen und gemeinsam gelagterten Achse angeordnet sind. Dies ist ein erheblicher funktioneller Unterschied zum Gegenstand der genannten EP 1 367 690 Bl aus der lediglich bekannt ist, die Achsen drehfest und damit Getriebefrei miteinander zu koppeln. Dies jedoch führt im Stand der Technik dazu, dass jedes Bauteil, nämlich Generator und Turbine jeweils eine für sich separat gelagterte Achse aufweisen, die lediglcih miteinanander gekoppelt werden. Da jede Achse aber dabei aber für sich selbst gelagtert ist, führt dies zu einer mechanischen ÜberbeStimmung der Lager- oder Auflagepunkte. Somit wäre ein absoluter unwuchtfreier Gleichlauf nur dann erreichbar, wenn die Verbindung der Turbineachse und der Generatorachse rotatorisch zwar drehfest, axial aber ausgleichend wäre, d.h. axiale Umwuchten ausgleichen würde. Damit wäre die Verbindung zwar getriebefrei, aber dieser Achsausgleich wäre dem Verschleiß unterworfen und schluckt ausserdem auch Reibungsenergie .
Alle diese Nachteile werden beseitigt, durch die erfindungsgemäße Bauform, bei welcher die Turbine und der Generator auf einer gemeinsamen und gemeinsam gelagterten Achse angeordnet sind. Achsausgleiche entfallen vollständig und erst hierbei findet ein absoluter ruhiger Gleichlauf statt.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Turbine eine radiale Zentripetal-Turbine ist, welche seitlich zur Rotationsachse mit dem Medium angeströmt und das Medium in axialer Richtung zentral aus der Turbine abströmbar ist. Dies ist baulich insbesondere für kompakte Anlagen von erheblichem Vorteil. Ein weiterer Vorteil liegt dabei im optimalen Wirkungsgrad einer solchen Turbinenradkonstruktion, die mit gebogenen seitlich anzuströmenden Schaufeln versehen ist.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass der Generator ein bürstenloser, vorzugsweise ein Generator mit Permanentmagneten ist. Dabei sind die Reibungswiderstände deutlich geringer als bei einem Generator mit Bürsten.
Vorteilhaft ist auch eine Ausgestaltung, bei welcher die Achse mit Magnet- oder Luftlagern gelagert ist. Dies führt zu einer weiteren Reduktion der Reibungswiderstände, was die Effizienz der Energieumwandlung wiederum erhöht. Luftlager sind Abschnitte auf Lagerwellen, die oberflächenstrukturiert sind. Dadurch kommt es bei höheren Drehzahlen zu einem Luftpolster, auf dem die Lagerwelle bzw die gelagerte Welle dann läuft.
Alle diese bereits erzielten Vorteile korrespondieren besonders gut mit einer Ausgestaltung bei welcher die erfindungsgemäße Turbine-Generator-Anordnung in einer Niedertemperatur-ORC-Anlage integriert ist. Hier ist die kompakte und extrem laufruhige Turbine-Generator- Anordnung, sowie die Maßnahmen zur Reduktion von Reibungsverlusten besonders effektiv.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Niedertemperatur-ORC-Anlage (Organic-Rankine-Cycle) außerdem mindestens eine Verdampferstufe, mindestens eine Kondensationsstufe, sowie ein Pumpe zur Rückführung des kondensierten Mediums von der Kondensatorstufe zur Verdampferstufe aufweist. Damit sind alle Komponenten in einem geschlossenen Kreislauf eingebunden, insbesondere die Turbine-Generator-Anordnung arbeitet dabei optimiert.
Eine besondere Ausgestaltung ist dabei, dass die Pumpe ebenfalls auf der gemeinsamen und/oder gemeinsam gelagterten Achse zusammen mit dem Generator und der Turbine angeordnet ist. Dabei kann die ORC-Anlage extrem kompakt gebaut werden. Zur baulichen Realisierung müssen lediglich die Leitungsführungen entsprechend vorgenommen werden, was aber völlig problemlos ist. Durch die Mitanordnung der Rückführpumpe für das umlaufende Medium auf derselben Achse wie Turbine und Generator, entfallen somit Konvertierungsverluste ansonsten vorhandener elektrischer Baugruppen. Die Pumpe wird mechanisch direkt an die Kraftaufnahme der angeströmten Turbine genommen. Insgesamt steigt dadurch der gesamte Wirkungsgrad, was in der Energiebilanz deutlich erkennbar ist. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass als Medium niedertemperturverdampfende fluorierte Kohlenwasserstoffe eingesetzt werden. Diese Medien verdampfen bei Raumtemperatur oder bereits darunter. Bei einem Betrieb der Anlage bei einer Verdampfungstemperatur deutlich über Raumtemperatur arbeitet diese mit guten Druckwerten um eine effektive Anströmung der Turbine zu erzeugen.
Ein besonders vorteilhafter Stoff zum Einsatz als Medium ist 1, 1, 1,33-Pentafluor-Propan.
Eine ebenso brauchbare Alternative stellt Butan als Medium dar .
Um nun die ORC-Anlage in optimalem ökologischen Prinzip zu betreiben, d.h. mit alternativen Energiequellen zur Beheizung des Verdampfers, ist in einer Ausgestaltung der Verdampfer über einen Wärmetauscher beheizbar, welcher aus einem Wärmeträger (Wasser oder Thermo-öl) aus
Sonnenkollektoren betreibbar ist. Anlagen dieser Art haben damit sogar einen enormen Nutzwert für private Anwendungen in Wohnhäusern. So kann die Sonnenwärme herkömmlicher Sonnenkollektoren die Wärme zumindest teilweise verströmen, und den Strom ins Stromnetz einspeisen. Eine erfindungsgemäße Einrichtung gemäß dieser Ausgestaltung hat einen sehr guten Wirkungsgrad. Als ggfs kombinierte Einrichtung in Bezug auf wahleise oder kombinierte Wärme- und Stromerzeugung ist sie mit Halbleiter-Solarzellenanlagen konkurrenzfähig.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, dass Verdampfer über einen Wärmetauscher beheizbar ist, welcher wiederum aus Abwärme beheizbar ist. So kann die besagte Einrichtung auch dort genutzt und eingesetzt werden, wo Energie in Form von Abwärme anfällt, die sodann über diese ORC-technologische Ausgestaltung verströmt wird.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass Verdampfer sowie der Sonnenkollektor oder die Sonnenkollektoren einen gemeinsamen geschlossenen Medienkreislauf aufweisen, derart, dass das Verdampfermedium ohne Wärmetauscher direkt in den Rohren der Sonnenkollektoren aufheizbar sind. Hierdurch bedarf es keines Wärmetauschers mehr, weil in den Rohren der Sonnenkollektoren kein Wasser mehr, sondern bereits das Verdampfer-Medium fließt und die Temperatur direkt aufnimmt. Dabei ist darauf zu achten, dass die Rohre für den anfallenden Druck ausgelegt und dicht sind. Durch das Entfallen des Verdampfer-Wärmetauschers wird der Wirkungsgrad weiter gesteigert, weil die thermischen Energieverluste entfallen.
Eine letzte vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, dass dabei die Kondensatorstufe als Rohrbündel oder als eine Art Kühlkörper mit gefalteter Oberfläche ausgebildet ist, über welche die Wärmeabgabe an die Umgebung, an eine Hausheizung, in ein Fernwärmenetz oder in einen Wärmespeicher abgebbar ist.
Mit anderen Worten erfolgt die Kühlung des Kondensators durch Wärmeaustausch mit der Umgebung, bzw in der oben spezifierten Weise.
Eine Einrichtung dieser Art hat einen erheblichen Nutzen auch in Bezug auf eine klimaschonende Energieerzeugung.
Im Hinblick auf ein Verfahren der gattungsgemäßen Art besteht der Kern der Erfindung darin, dass die Verdampfungstemperatur T2 im Verdampfer im Betrieb zwischen 500C und 1300C liegt und eingestellt wird, und dass nach Durchlaufen des Mediums durch die Turbine eine Abkühlung um mindestens 30 K erfolgt.
In weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung des
Verfahrens ist angegeben, dass die Verdampfungstemperatur T2 vorzugsweise bei etwa 700C eingestellt wird.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist eine Temperaturführung angegeben, bei welcher die
Kondensationskühlung im Kondensator über einen Wärmetauscher in etwa auf die Rückführungstemperatur Tl des Mediums zum Verdampfer gekühlt wird, derart, dass die Temperaturunterschiede ΔT zwischen Rückführungstemperatur Tl und Verdampfertempertur T2 , in beiden Richtungen gleich sind.
In letzter vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die bei der Kondensationskühlung entstehende Abwärme als Heizenergie genutzt oder auf dem erhaltenen Temperaturniveau separat nachverstromt wird.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher erläutert .
Es zeigt:
Figur 1: Ausführungsbeispiel mit Turbine und Generator auf einer Achse .
Figur 2 : Radiale Zentripetalturbine .
Figur 3: Ausführungsbeispiel mit Turbine,
Generator und Rückführungspumpe auf einer Achse . Figur 4: Ausführungsbeispiel mit Integration der Verdampferstufe direkt in Sonnenkollektoren.
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel, bei welchem das Turbinenrad der Turbine 3 mit dem Generator auf einer physisch gemeinsamen Achse A angeordnet sind. Dabei ist hier zu beachten, dass im Gegensatz zum eingangs beschriebenen Stand der Technik die Turbine und der
Generator nicht jeweils zwei getrennte Achsen aufweisen, die mit einander gekoppelt sind. Denn dies führt zu einer Lagerüberbestimmung und damit zu einer LaufrüheStörung dieser beiden Komponenten. Erfindungsgemäß ist die verlängerte Achse A des
Generators 4 eins mit der Achse der Turbine 3 bzw des Turbinenrades 11. Damit ist die Einrichtung extrem laufruhig und die Kopplung führt zu einer den Wirkungsgrad der gesamten Einrichtung steigernden technischen Maßnahme. Das Turbinenrad der Turbine 3 wird mit Hilfe des aus dem Verdampfer 1 ausströmenden Verdampfer-Mediums, in diesem Beispiel
1, 1 , 1, 33-Pentafluor-Propan, welches im Verdampfer durch Wärmezufuhr über den Verdampfer-Wärmetauscher 40 auf eine Verdampfungstemperatur Tl gebracht wird und das
Turbinenrad der Turbine 3 anströmt . Das so beströmte Turbinenrad nimmt diese Energie auf und durch die drehfeste Verbindung über die gemeinsame Achse A mit dem Generator 4, bzw den Rotor des Generators 4 wird dieser angetrieben. Der Generator ist dabei z.B. als bürstenloser permanentmagneterregter Generator ausgebildet. Die erzeugte elektrische Energie liegt dann am Ausgang 10 an. Die Turbine 3 ist als radiale Zentripetal-Turbine mit einem in Figur 2 später noch näher gezeigtem Turbinenrad 11 ausgestattet, in welchem das Medium tangential auf das Turbinerad 11 eingeströmt und durch eine entsprechende Lamellierung dann zentral abgeleitet wird. Das Medium fließt dabei in einen Kondensator 2 der über einen Wärmetauscher 7 das Medium wieder herunterkühlt . Die dabei aufgenommen Wärme kann seinerseits wieder genutzt werden, oder nachverströmt, oder rückgeführt werden.
Das abgekühlte und kondensierte Medium wird dabei auf eine Kondensationstemperatur von T2 heruntergekühlt und über eine Rückführpumpe 5 zurück in den Verdampfer 1 gepumpt. Diesem wird von extern wieder Wärme zugeführt und der Prozess läuft dann weiter. Das heisst das Medium ist hierbei in einem geschlossenen Kreislauf.
Am Wärmetauscher 7 wird bei einer niedrigen Temperatur eine Kühlmittel durch einen Wärmetauscherleitung geführt. Die am Wärmetauscher 7 aufgenommene Wärme wird dabei in der besagten Weise entweder genutzt oder recycliziert .
Über ein Steuerventil 6 wird der Kreislauf insgesamt geregelt .
Generator 4 und Turbine 3 können auch in einer Baugruppe 20 gehaust werden.
Eine beispielhafte Temperaturführung läuft je nach Druck und verwendetem Medium so ab, dass Tl, d.h. die
Ausgangstemperatur bei etwa 70 0C liegt, im Kondensator 2 dann wieder auf T2 , d.h. etwa 40 0C heruntergekühlt und kondensiert wird, und bei etwa diesem Temperaturniveau von T4=T2 in etwa wieder dem Verdampfer 1 zugeführt wird. Am Eingang des Wärmetauschers 7 wird ein Kühlmittel bei etwa T3 gleich 10 0C zugeführt und auf etwa T4 gleich 40 0C wieder abgeführt.
Figur 2 zeigt im Detail, aber nur schematisch das
Turbinenrad 11. Dieses wird am Rand in etwa tangential vom verdampften Medium angeströmt. Das Medium wird durch die Lamellenführung zum Zentrum des Turbinenrades geleitet und kann dort zentral ausströmen, bevor es danach wie in Figur 1 dem Kondensator zugeführt wird.
Figur 3 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung, bei welcher nicht nur Generator 4 und Turbine 3 bzw Turbinenrad 11 und Rotor auf einer gemeinsamen physischen Achse A angeordnet sind, sondern zusätzlich noch die
Rückführpumpe 5. Dies hat nicht nur den Vorteil, dass die Energie für die Rückführpumpe 5 direkt aus der erzeugten mechanischen Energie des Turbinenrades angewendet wird, was den Wirkungsgrad weiter steigert, sondern die Bauform der gesamten Einrichtung wird dadurch noch kompakter.
Dabei kann, wie hier angedeutet, die gesamte Baugruppe Turbine, Generator und Rückführpumpe aufrecht stehend zwischen Verdampfer 1 und Kondensator 2 platziert werden. Durch die kompaktere Bauform werden nur kurze
Medienleitungen notwendig, was Wärmeverluste reduziert und dadurch ebenfalls den Wirkungsgrad nochmals steigert. Ausserdem ergibt sich eine kleinbauende Einrichtung.
Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem statt eines separaten Verdampfers 1, dem bodenseitig wie in Figur 1 dargestellt thermische Energie durch den Verdampfer-Wärmetauscher 40 zugeführt werden muss, stattdessen nun der Verdampfer in die Rohre eines Sonnenkollektors 30 sogleich mitintegriert wird. Die Rohre des Sonnenkollektors müssen dabei nur druckfest verlegt und ausgestaltet sein, so dass die aufgenommene Sonnenenergie das Medium, z.b. das genannte Penta-fluor- Propan sogleich in den Rohren des Sonnenkollektors 30 verdampft wird, und der Dampf dann direkt der Turbine zugeführt wird.
Die weitere Ausgestaltung kann dann wieder gemäß Figur 1 oder Figur 3 ausgebildet sein. In beiden Fällen brauch der Verdampfer 1 nur gegen einen druckfesten Sonnenkollektor 30 ausgetauscht werden.
In allen Ausgestaltungsbeispielen können die Lager der gemeinsamen Achse überdies Magnet- oder Luftlager sein, wass sowohl die Laufruhe erhöht, als auch die Reibungsverluste stark reduziert. Insgesamt erhöht auch dieses Merkmal den im Gesamtprozess erzielbaren Wirkungsgrad.
Die Verwendung von Butan oder Penta-fluor-Propan sind nur beispielhaft. Möglich sind dabei alle Medien mit entsprechend niedrigem Siedepunkt.
Bezugszeichen;
1 Verdampfer 2 Kondensator
3 Turbine
4 Generator
5 Pumpe , Rückführpumpe
6 Steuerventil 7 Wärmetauscher
10 Ausgang elektrischer Energie
11 Turbinenrad
20 Baugruppe
30 Sonnenkollektor
40 Verdampfer-Wärmetauscher
A Achse
Tl Ausgangstemperatur Verdampfer
T2 Rückführungstemperatur zum Verdampfer T3 Eingangstemperatur Wärmetauscher
T4 Ausgangstemperatur Wärmetauscher

Claims

Patentansprüche
1. Einrichtung zur Stromerzeugung aus Wärme, mit einem Generator und einer die Dynamik eines bewegten Mediums aufnehmenden Turbine, bei welcher die
Turbine und der Generator getriebefrei miteinander gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (3) bzw das Turbinenrad (11) und der Generator (4) auf einer gemeinsamen und/oder gemeinsam gelagterten Achse (A) angeordnet sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (3) eine radiale Zentripetal-
Turbine ist, welche seitlich zur Rotationsachse mit dem Medium angeströmt und das Medium in axialer Richtung zentral aus der Turbine abströmbar ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (4) ein bürstenfreier, vorzugsweise ein Generator mit Permanentmagneten ist.
4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse (A) mit Magnet- oder Luftlagern gelagert ist.
5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine-Generator-Anordnung in einer Niedertemperatur-ORC-Anlage integriert ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Niedertemperatur-ORC-Anlage außerdem mindestens eine Verdampferstufe (1) , mindestens eine Kondensationsstufe (2) , sowie ein Pumpe (5) zur Rückführung des kondensierten Mediums von der Kondensatorstufe (2) zur Verdampferstufe (1) aufweist .
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (5) ebenfalls auf der gemeinsamen und/oder gemeinsam gelagterten Achse A zusammen mit dem Generator (4) und der Turbine (3) bzw dem Turbinenrad (11) der Turbine (3) angeordnet ist.
8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Medium niedertemperturverdampfende fluorierte Kohlenwasserstoffe eingesetzt werden.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass 1, 1, 1, 33-Pentafluor-Propan als Medium eingesetzt wird.
10. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Butan als Medium eingesetzt wird.
11. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche
1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (1) über einen Wärmetauscher beheizbar ist, welcher aus einem Wärmeträger (Wasser oder Thermo-öl) aus Sonnenkollektoren betreibbar ist.
12. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Verdampfer (1) über einen Wärmetauscher beheizbar ist, welcher wiederum aus Abwärme beheizbar ist.
13. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Verdampfer (1) sowie der Sonnenkollektor (30) oder die Sonnenkollektoren einen gemeinsamen geschlossenen Medienkreislauf aufweisen, derart, dass das Verdampfermedium ohne Wärmetauscher direkt in Rohren der Sonnenkollektoren (30) aufheizbar ist.
14. Einrichtung nach Anspruch 13 , dadurch gekennzeichnet, dass dabei die Kondensatorstufe (2) als Rohrbündel oder als eine Art Kühlkörper mit gefalteter Oberfläche ausgebildet ist, über welche die Wärmeabgabe an die Umgebung, an eine Hausheizung, in ein Fernwärmenetz oder in einen Wärmespeicher vornehmbar ist.
15. Verfahren zum Betrieb einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungstemperatur T2 im Verdampfer im Betrieb zwischen 500C und 13O0C liegt und eingestellt wird, und dass nach Durchlaufen des Mediums durch die Turbine eine Abkühlung um cirka 30 K erfolgt.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungstemperatur T2 vorzugsweise bei etwa 700C eingestellt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensationskühlung im Kondensator über einen Wärmetauscher in etwa auf die
Rückführungstemperatur Tl des Mediums zum Verdampfer gekühlt wird, derart, dass die
Temperaturunterschiede ΔT zwischen Rückführungstemperatur Tl und Verdampfertempertur T2 , in beiden Richtungen gleich sind.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Kondensationskühlung entstehende Abwärme als Heizenergie genutzt oder auf dem erhaltenen Temperaturniveau separat nachverstromt wird.
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