EP2978940A1 - Düsenmodul für einen energiewandler - Google Patents

Düsenmodul für einen energiewandler

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EP2978940A1
EP2978940A1 EP15723699.3A EP15723699A EP2978940A1 EP 2978940 A1 EP2978940 A1 EP 2978940A1 EP 15723699 A EP15723699 A EP 15723699A EP 2978940 A1 EP2978940 A1 EP 2978940A1
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EP
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nozzle
mixing chamber
fluid
nozzle module
suction fluid
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EP15723699.3A
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Matthias Boscher
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Boscher Matthias
Original Assignee
Boscher Matthias
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Publication date
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    • F04F5/00—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow
    • F04F5/44—Component parts, details, or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04F5/02 - F04F5/42
    • F04F5/46—Arrangements of nozzles
    • F04F5/463—Arrangements of nozzles with provisions for mixing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/32—Collecting of condensation water; Drainage ; Removing solid particles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04F5/00—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow
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    • F04F5/10—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow the inducing fluid being liquid displacing liquids, e.g. containing solids, or liquids and elastic fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04F5/00—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow
    • F04F5/14—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow the inducing fluid being elastic fluid
    • F04F5/24—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow the inducing fluid being elastic fluid displacing liquids, e.g. containing solids, or liquids and elastic fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups

Definitions

  • the present invention relates to a nozzle module for a
  • Energy converter in particular for a power plant, comprising a first nozzle for introducing a driving fluid into a mixing chamber and a
  • Inlet opening for introducing a suction fluid into the mixing chamber, wherein the mixing chamber has a geometry for flow enhancement
  • the goal of such separations and mergers is usually to generate a fluid jet having a high temperature, a high temperature
  • This high-energy fluid jet is used to drive a turbine, which is connected to a generator for generating electrical energy.
  • the separation and merging of fluids requires energy, for example, for pumping the fluids, which is at the expense of the efficiency of the power plant.
  • the invention proposes a nozzle module of the aforementioned type, wherein a vapor pressure of the driving fluid before the first nozzle is smaller than a vapor pressure of the suction fluid upstream of the introduction port and a gas pressure in the mixing chamber in an area downstream of the first nozzle is smaller than a gas pressure in the mixing chamber in an area downstream of the introduction port. Because of the higher
  • Vapor pressure of the suction fluid vaporizes this easier than that
  • Driving fluid and may be present in a gas after passing through the inlet opening in the area after the inlet opening.
  • Suction fluid energetically enriched This energy input into the driving fluid can be based in particular on two principles.
  • the atoms or molecules of the suction fluid have an amount of internal energy which is non-directional and, when combined with the driving fluid, leads to an increase in the internal energy of the driving fluid, resulting, for example, in an increase in the temperature of the driving fluid.
  • the atoms or molecules of the suction fluid have an amount of kinetic energy which is directed and in which
  • the driving fluid is energetically enriched, which the efficiency of a power plant, in which uses the nozzle module according to the invention can be increased.
  • the nozzle module according to the invention represents a simple structured device which is suitable for replacing complex and thus expensive devices and technologies according to the prior art.
  • a mass entry into the driving fluid also takes place.
  • the nozzle module according to the invention is used in a power plant.
  • the power plant comprises at least one nozzle module according to the invention.
  • Driving fluid and the suction fluid is formed on a turbine.
  • the collecting nozzle By means of the collecting nozzle, the driving fluid and the suction fluid are rectified in an energy-enriched fluid jet passed approximately lossless on the turbine, which is optionally in operative connection with a dynamoelectric machine, such as a generator.
  • the inlet opening is designed as a second nozzle, wherein the second nozzle is designed to evaporate the suction fluid when it is introduced into the mixing chamber.
  • This change in the state of aggregation leads to the suction liquid which is liquid before the flow through the second nozzle and to the gaseous suction fluid after it has flowed through the second nozzle
  • the mixing chamber the suction fluid is formed condensing when merging with the driving fluid.
  • Driving fluid results.
  • the driving underlying this process Force is the vapor pressure difference between the drive fluid and the suction fluid. After the suction fluid has condensed on the driving fluid, the suction fluid has undergone changes in the states of matter in liquid-gaseous and gaseous-liquid form. It proves to be particularly advantageous according to the invention that the nozzle module has a reservoir connected to the inlet opening and upstream of the inlet opening for storing the suction fluid. The reservoir provides a continuous stream of
  • the reservoir may be closed to the environment.
  • the mixing chamber is arranged outside the reservoir.
  • the mixing chamber is disposed within the reservoir.
  • the arrangement of the mixing chamber within the reservoir can be designed such that an exchange of
  • gap opening is connected to the reservoir, wherein the inlet opening is formed by the gap opening.
  • the gap opening is formed as an annular gap. This one in one
  • annular gap provides a flow pattern that is more laminar than a flow pattern of an inlet opening
  • the gap opening in particular the annular gap, on the one hand by a
  • the position of the plug in the mixing chamber defines the dimension of the annular gap and thus the characteristic of the inlet opening.
  • the plug can serve as a separation element that separates the mixing chamber and the reservoir to the annular gap from each other.
  • the restoring element as a spring, preferably coil spring and in particular tension spring or compression spring formed, which is attached on the one hand to the plug and on the other hand to the reservoir, and the inner wall of the mixing chamber relative to the longitudinal axis of the mixing chamber conical, so are a width of Annular gap and thus the characteristic of the inlet opening next to a characteristic of the spring determined by the pressure conditions in the mixing chamber and the reservoir.
  • the nozzle module according to the invention operates self-closing or self-opening.
  • a distance of the first nozzle to a discharge opening of the mixing chamber is smaller than a distance of the inlet opening to the discharge opening of the mixing chamber.
  • the discharge opening of a nozzle or chamber in the context of the invention is a constriction of the nozzle or chamber through which a fluid leaves the nozzle or chamber.
  • nozzles according to the invention are preferably formed convergent, wherein the catching nozzle beyond the discharge opening may have a divergently formed part, also called a diffuser.
  • the area lies after the first nozzle, towards which the suction fluid from the area after the
  • Inlet opening is accelerated, approximately in the direction of movement of the suction fluid, so that the directions of pulses of the driving fluid and the suction fluid are oriented substantially the same, resulting in a magnitude addition of the pulses and thus to an increase in the flow velocity of the combined fluid in the direction
  • the driving fluid is water and the suction fluid is water and wherein a temperature of the driving fluid before the first nozzle is lower than a temperature of the suction fluid upstream of the inlet opening.
  • Water as a driving fluid or suction fluid is available in many places in sufficient quantities and uncritical in handling.
  • the vapor pressure difference between the driving fluid and the suction fluid required according to the invention can most easily be provided by means of water, which is as cold as possible for use as driving fluid and as warm as possible for use as suction fluid.
  • the greater the temperature difference between the drive fluid and the suction fluid before it is introduced into the nozzle module the greater the energy input into the drive fluid and the more pronounced the increase in the efficiency of the power plant.
  • an osmotic concentration of the driving fluid is greater than an osmotic concentration of the suction fluid.
  • the osmotic concentration of a fluid is also called osmolarity of the fluid. she describes the molar amount of osmotically active particles per unit volume of the fluid and is thus a measure of the osmotic pressure of the fluid.
  • a difference between the osmotic concentration of the driving fluid and the osmotic concentration of the suction fluid also has a positive effect on the energy input into the driving fluid and thus on the
  • the nozzle module according to the invention is for use in one
  • Power station formed, the power plant for example, a
  • Heat energy from wastewater can be used.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of a nozzle module according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 is a schematic sectional view of a nozzle module according to a second embodiment of the invention.
  • Fig. 1 shows a schematic sectional view of a nozzle module 1 according to a first embodiment of the invention.
  • the nozzle module 1 is intended for use in a power plant and comprises a first nozzle 2 for introducing a driving fluid into a mixing chamber 3 and an inlet opening 4 designed as a second nozzle for introducing a
  • the driving fluid is preferably cold Water.
  • the suction fluid is preferably warm water.
  • the mixing chamber 3 is designed as a catching nozzle 5 for flow-enhancing merging and jointly discharging the driving fluid and the suction fluid onto a turbine.
  • the catching nozzle 5 has a divergent part which forms a diffuser and serves to discharge the driving fluid and the suction fluid to the turbine. It is essential to the invention that a vapor pressure of the driving fluid upstream of the first nozzle 2 is smaller than a vapor pressure of the suction fluid upstream of the second nozzle and a gas pressure in the mixing chamber 3 in a region 6 downstream of the first nozzle 2 is less than a gas pressure in the mixing chamber 3 in FIG a region 7 after the second nozzle.
  • the suction fluid evaporates when introduced into the
  • the nozzle module 1 has a reservoir 8 connected to the inlet opening 4 designed as a second nozzle and upstream of the inlet opening 4 for storing the suction fluid.
  • the mixing chamber 3 is outside the
  • the mixing chamber 3 is formed by means of an adjustable gap opening 9 in the form of an annular gap with the
  • the annular gap is bounded on the one hand by an inner wall 10 of the mixing chamber 3 and on the other hand by a peripheral surface 11 of a stopper 13 displaceably mounted relative to the mixing chamber 3 against an elastic return element 12.
  • Return element 12 is formed as a helical spring, which is loadable to train.
  • a distance of the first nozzle 2 to a discharge opening 14 of the mixing chamber 3 designed as a catchment nozzle 5 is smaller than a
  • the vaporized suction fluid impinges on its acceleration path in the direction of the catching nozzle 5 to the driving fluid on which it condenses and into which it introduces its energy.
  • the catching nozzle 5 respectively
  • Mixing chamber 3 is radially symmetrical to a longitudinal axis extending in the flow direction of the driving fluid and has a conical region at the level of the plug 13.
  • a width of the annular gap is characterized by an axial position to the longitudinal axis of the
  • the catching nozzle 5 has a smaller radius in its convergent part in the region 6 after the first nozzle 2 than in the region 7 after the second nozzle.
  • Driving fluid in the first nozzle 2 is cylindrical.
  • a pipe section arranged in the reservoir 8 for introducing the driving fluid into the first nozzle 2 has a bellows in order to provide an axial displaceability of the plug 13 that is axial to the longitudinal axis.
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view of a nozzle module 1 according to a second embodiment of the invention.
  • the nozzle module 1 is constructed similarly to the nozzle module 1 shown in FIG. 1 and also has an inlet opening 4 communicating with the inlet opening 4 designed as a second nozzle and designed as a second nozzle
  • Introductory opening 4 upstream reservoir 8 for storing the
  • the mixing chamber 3 is designed as a catching nozzle 5 for jointly discharging the driving fluid and the suction fluid onto a turbine 17.
  • the reservoir 8 is opposite the environment
  • Mixing chamber 3 are usually designed so that an exchange of Heat energy between the reservoir 8 and the mixing chamber 3 can take place.
  • the reservoir 8 comprises a pressure exchanger 15 having a supply line and a
  • Vacuum pump 16 having derivative for supplying
  • Vacuum pump 16 is connected to the pressure exchanger 15 in operative connection.
  • the vacuum pump 16 generates a negative pressure in the reservoir 8, which sucks the suction fluid through the supply line into the reservoir 8.
  • the temperature of the suction fluid is measured by means of a temperature sensor 18 attached to the reservoir 8, the measured temperature being taken into account in a control of the vacuum pump 16.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Düsenmodul (1) für einen Energiewandler, insbesondere für ein Kraftwerk, umfassend eine erste Düse (2) zum Einleiten eines Treibfluides in eine Mischkammer (3) und eine Einleitöffnung (4) zum Einleiten eines Saugfluides in die Mischkammer (3), wobei die Mischkammer (3) eine Geometrie zum strömungsverstärkenden Zusammenführen des Treibfluides und des Saugfluides in der Mischkammer (3) aufweist. Um ein Düsenmodul (1) anzugeben, das eine Erhöhung des Wirkungsgrades des Kraftwerkes bewirkt, schlägt der Erfindung vor, dass ein Dampfdruck des Treibfluides vor der ersten Düse (2) kleiner ist als ein Dampfdruck des Saugfluides vor der Einleitöffnung (4) und ein Gasdruck in der Mischkammer (3) in einem Bereich (6) nach der ersten Düse (2) kleiner ist als ein Gasdruck in der Mischkammer (3) in einem Bereich (7) nach der Einleitöffnung (4).

Description

BESCHREIBUNG Düsenmodul für einen Energiewandler
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Düsenmodul für einen
Energiewandler, insbesondere für ein Kraftwerk, umfassend eine erste Düse zum Einleiten eines Treibfluides in eine Mischkammer und eine
Einleitöffnung zum Einleiten eines Saugfluides in die Mischkammer, wobei die Mischkammer eine Geometrie zum Strömungsverstärkenden
Zusammenführen des Treibfluides und des Saugfluides in der
Mischkammer aufweist. Bei Energiewandlern, wie beispielsweise Wärmekraftwerken und insbesondere Dampfkraftwerken, werden oftmals Fluide getrennt und vereinigt, um Temperaturänderungen oder Änderungen des
Aggregatzustandes bei den Fluiden hervorzurufen. Das Ziel solcher Trennungen und Zusammenführungen ist in der Regel, einen Fluidstrahl zu generieren, der eine hohe Temperatur, eine hohe
Strömungsgeschwindigkeit oder bestenfalls eine hohe Temperatur und eine hohe Strömungsgeschwindigkeit aufweist. Dieser energiereiche Fluidstrahl dient zum Antreiben einer Turbine, die mit einem Generator zur Erzeugung elektrischer Energie verbunden ist. Allerdings erfordert das Trennen und Zusammenführen von Fluiden Energie, beispielsweise zum Pumpen der Fluide, die zu Lasten des Wirkungsgrades des Kraftwerkes geht.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Düsenmodul der eingangs genannten Art anzugeben, das eine Erhöhung des
Wirkungsgrades des Kraftwerkes bewirkt.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Düsenmodul der eingangs genannten Art vor, wobei ein Dampfdruck des Treibfluides vor der ersten Düse kleiner ist als ein Dampfdruck des Saugfluides vor der Einleitöffnung und ein Gasdruck in der Mischkammer in einem Bereich nach der ersten Düse kleiner ist als ein Gasdruck in der Mischkammer in einem Bereich nach der Einleitöffnung. Auf Grund des höheren
Dampfdruckes des Saugfluides verdampft dieses leichter als das
Treibfluid und kann nach einem Durchströmen der Einleitöffnung in dem Bereich nach der Einleitöffnung gasförmig vorliegen. In dem Bereich nach der Einleitöffnung herrscht ein Gasdruck, der größer als der Gasdruck in dem Bereich nach der ersten Düse ist. Das gegebenenfalls gasförmige Fluid erfährt auf Grund des erfindungsgemäß vorgesehenen
Druckgradienten zwischen dem Bereich nach der ersten Düse und dem Bereich nach der Einleitöffnung eine Beschleunigung in Richtung des Bereiches nach der ersten Düse, in dem das Treibfluid die erste Düse verlässt. In dem Bereich nach der ersten Düse oder spätestens bei einer Ausleitöffnung der Mischkammer werden das Treibfluid und das Saugfluid vereint, wobei eine Energie des Saugfluides auf das Treibfluid übergeht. Mit anderen Worten, das Treibfluid wird durch einen Zustrom des
Saugfluides energetisch angereichert. Dieser Energieeintrag in das Treibfluid kann insbesondere auf zwei Prinzipien basieren. Einerseits weisen die Atome oder Moleküle des Saugfluides eine Menge an innerer Energie auf, die ungerichtet ist und bei der Vereinigung mit dem Treibfluid zu einer Erhöhung der inneren Energie des Treibfluides führt, was beispielsweise in einer Erhöhung der Temperatur des Treibfluides resultiert. Andererseits weisen die Atome oder Moleküle des Saugfluides eine Menge an kinetischer Energie auf, die gerichtet ist und bei der
Vereinigung mit dem Treibfluid zu einer Erhöhung der kinetischen Energie des Treibfluides führt, was beispielsweise in einer Erhöhung der
Strömungsgeschwindigkeit des Treibfluides resultiert. In beiden Fällen wird das Treibfluid energetisch angereichert, was den Wirkungsgrad eines Kraftwerkes, in dem das erfindungsgemäße Düsenmodul verwendet werden kann, erhöht. Zusätzlich stellt das erfindungsgemäße Düsenmodul eine einfach strukturierte Vorrichtung dar, die geeignet ist, komplexe und damit kostenintensive Vorrichtungen und Technologien gemäß dem Stand der Technik zu ersetzen. Neben dem Energieeintrag in das Treibfluid erfolgt auch ein Masseneintrag in das Treibfluid. In Ausgestaltung der Erfindung ist angedacht, dass das erfindungsgemäße Düsenmodul in einem Kraftwerk verwendet wird. In anderen Worten, das Kraftwerk umfasst mindestens ein erfindungsgemäßes Düsenmodul.
Es erweist sich erfindungsgemäß als besonders vorteilhaft, dass die Mischkammer als eine Fangdüse zum gemeinsamen Ausleiten des
Treibfluides und des Saugfluides auf eine Turbine ausgebildet ist. Mittels der Fangdüse werden das Treibfluid und das Saugfluid gleichgerichtet in einem energieangereicherten Fluidstrahl annähernd verlustfrei auf die Turbine geleitet, die gegebenenfalls in Wirkverbindung mit einer dynamoelektrischen Maschine, beispielsweise einem Generator, steht.
Es erweist sich weiterhin erfindungsgemäß als besonders vorteilhaft, dass die Einleitöffnung als eine zweite Düse ausgebildet ist, wobei die zweite Düse das Saugfluid beim Einleiten in die Mischkammer verdampfend ausgebildet ist. Diese Änderung des Aggregatzustandes führt dazu, dass das vor dem Durchströmen der zweiten Düse flüssige Saugfluid und nach dem Durchströmen der zweiten Düse gasförmige Saugfluid durch
Kondensation Energie umwandelt.
Deshalb ist erfindungsgemäß mit großem Vorteil vorgesehen, dass die Mischkammer das Saugfluid beim Zusammenführen mit dem Treibfluid kondensierend ausgebildet ist. Somit wird die in dem Saugfluid
gespeicherte und mittels des Saugfluides transportierte Energie in dem Treibfluid freigesetzt, was in einer Anreicherung der Energie des
Treibfluides resultiert. Die diesem Vorgang zu Grunde liegende treibende Kraft ist der Dampfdruckunterschied zwischen dem Treibfluid und dem Saugfluid. Nach dem Kondensieren des Saugfluides an dem Treibfluid hat das Saugfluid die Aggregatzustandsänderungen flüssig-gasförmig und gasförmig-flüssig durchlaufen. Es erweist sich erfindungsgemäß als besonders vorteilhaft, dass das Düsenmodul ein mit der Einleitöffnung in Verbindung stehendes und der Einleitöffnung vorgeschaltetes Reservoir zum Bevorraten des Saugfluides aufweist. Das Reservoir stellt einen kontinuierlichen Strom des
Saugfluides zu der Einleitöffnung sicher, wobei die Stromstärke von Bedingungen des Düsenmoduls, der verwendeten Fluide und
gegebenenfalls des Kraftwerkes abhängig ist. Das Reservoir kann gegenüber der Umgebung abgeschlossen sein. Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist die Mischkammer außerhalb des Reservoirs angeordnet. Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist die Mischkammer innerhalb des Reservoirs angeordnet. Darüber hinaus kann die Anordnung der Mischkammer innerhalb des Reservoirs derart ausgestaltet sein, dass ein Austausch von
Wärmeenergie zwischen der Mischkammer und dem Reservoir stattfindet.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist
vorgesehen, dass die Mischkammer mittels einer verstellbar
ausgebildeten Spaltöffnung mit dem Reservoir verbunden ist, wobei die Einleitöffnung durch die Spaltöffnung gebildet ist. Insbesondere ist die Spaltöffnung als ein Ringspalt ausgebildet. Diese zu einer in
Strömungsrichtung des Treibfluides verlaufenden Längsachse der
Mischkammer radialsymmetrische Anordnung führt zu einer Aufhebung von eventuell auftretenden Deviationskräften und -momenten an und in der Mischkammer, die ansonsten zu Materialermüdung und Verschleiß der Mischkammer führen und die Standzeit der Mischkammer verkürzen würden. Weiterhin stellt der Ringspalt ein Strömungsmuster bereit, das laminarer ist als ein Strömungsmuster einer Einleitöffnung, die
beispielsweise aus mehreren annähernd punktförmigen und voneinander separierten Einzeleinleitöffnungen besteht.
Hierzu erweist es sich erfindungsgemäß als besonders vorteilhaft, dass die Spaltöffnung, insbesondere der Ringspalt, einerseits von einer
Innenwand der Mischkammer und andererseits von einer Umfangsfläche eines gegen ein elastisches Rückstellelement relativ zu der Mischkammer verschiebbar gelagerten Stopfens begrenzt ist. Somit definiert die Lage des Stopfens in der Mischkammer die Dimension des Ringspaltes und damit die Charakteristik der Einleitöffnung. Sind beispielsweise die
Mischkammer und das Reservoir als eine Kammer ausgebildet, kann der Stopfen als Separationselement dienen, das die Mischkammer und das Reservoir bis auf den Ringspalt voneinander trennt. Sind zusätzlich das Rückstellelement als eine Feder, bevorzugt Schraubenfeder und insbesondere Zugfeder oder Druckfeder, ausgebildet, die einerseits an dem Stopfen und andererseits an dem Reservoir befestigt ist, und die Innenwand der Mischkammer relativ zu der Längsachse der Mischkammer konisch ausgebildet, so werden eine Breite des Ringspaltes und damit die Charakteristik der Einleitöffnung neben einer Kennlinie der Feder durch die Druckverhältnisse in der Mischkammer und dem Reservoir bestimmt. Bei einem optimalen Setup arbeitet das erfindungsgemäße Düsenmodul selbstschließend beziehungsweise selbstöffnend.
Es ist erfindungsgemäß mit großem Vorteil vorgesehen, dass ein Abstand der ersten Düse zu einer Ausleitöffnung der Mischkammer kleiner ist als ein Abstand der Einleitöffnung zu der Ausleitöffnung der Mischkammer. Die Ausleitöffnung einer Düse beziehungsweise Kammer im Sinne der Erfindung ist eine Engstelle der Düse beziehungsweise Kammer, durch die ein Fluid die Düse beziehungsweise Kammer verlässt. Die
erfindungsgemäßen Düsen sind bevorzugt konvergent ausgebildet, wobei insbesondere die Fangdüse jenseits der Ausleitöffnung einen divergent ausgebildeten Teil, auch Diffusor genannt, aufweisen kann. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung der ersten Düse und der Einleitöffnung relativ zu der Ausleitöffnung der Mischkammer liegt der Bereich nach der ersten Düse, auf den hin das Saugfluid von dem Bereich nach der
Einleitöffnung beschleunigt wird, annähernd in Bewegungsrichtung des Saugfluides, sodass die Richtungen von Impulsen des Treibfluides und des Saugfluides im Wesentlichen gleich orientiert sind, was zu einer betragsmäßigen Addition der Impulse und somit zu einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des vereinigten Fluides in Richtung
Ausleitöffnung der Mischkammer führt.
Es erweist sich erfindungsgemäß als besonders vorteilhaft, dass das Treibfluid Wasser ist und das Saugfluid Wasser ist und wobei eine Temperatur des Treibfluides vor der ersten Düse niedriger ist als eine Temperatur des Saugfluides vor der Einleitöffnung. Wasser als Treibfluid beziehungsweise Saugfluid ist an vielen Orten in ausreichender Menge erhältlich und unkritisch in der Handhabung. Der erfindungsgemäß erforderliche Dampfdruckunterschied zwischen dem Treibfluid und dem Saugfluid kann am einfachsten mittels Wassers bereitgestellt werden, das für die Verwendung als Treibfluid möglichst kalt und für die Verwendung als Saugfluid möglichst warm ist. Je größer der Temperaturunterschied zwischen dem Treibfluid und dem Saugfluid vor einem Einleiten in das Düsenmodul ist, desto größer ist der Energieeintrag in das Treibfluid und desto deutlicher fällt die Erhöhung des Wirkungsgrades des Kraftwerkes aus.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß mit großem Vorteil vorgesehen, dass eine osmotische Konzentration des Treibfluides größer ist als eine osmotische Konzentration des Saugfluides. Die osmotische Konzentration eines Fluides wird auch Osmolarität des Fluides genannt. Sie beschreibt die Stoffmenge an osmotisch aktiven Teilchen pro Volumeneinheit des Fluides und ist somit ein Maß für den osmotischen Druck des Fluides. Eine Differenz zwischen der osmotischen Konzentration des Treibfluides und der osmotischen Konzentration des Saugfluides wirkt sich ebenfalls positiv auf den Energieeintrag in das Treibfluid und damit auf die
Erhöhung des Wirkungsgrades des Kraftwerkes aus.
Das erfindungsgemäße Düsenmodul ist zur Verwendung in einem
Kraftwerk ausgebildet, wobei das Kraftwerk beispielsweise ein
Dampfkraftwerk, ein Wärmekraftwerk, ein Erdwärmekraftwerk oder ein Meereswärmekraftwerk (ocean thermal energy conversion, OTEC) sein kann. Alternativ dazu kann das erfindungsgemäße Düsenmodul auch bei Solarthermieanlagen, Kühlanlagen und zur Rückgewinnung von
Wärmeenergie aus Abwasser eingesetzt werden.
Die Erfindung wird in zwei bevorzugten Ausführungsformen unter
Bezugnahme auf Zeichnungen beispielhaft beschrieben, wobei weitere vorteilhafte Einzelheiten den Figuren der Zeichnungen zu entnehmen sind.
Die Figuren der Zeichnungen zeigen im Einzelnen:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines Düsenmoduls gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; und Fig. 2 eine schematische Schnittansicht eines Düsenmoduls gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Die Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Düsenmoduls 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Das Düsenmodul 1 ist zur Verwendung in einem Kraftwerk vorgesehen und umfasst eine erste Düse 2 zum Einleiten eines Treibfluides in eine Mischkammer 3 und eine als zweite Düse ausgebildete Einleitöffnung 4 zum Einleiten eines
Saugfluides in die Mischkammer 3. Das Treibfluid ist bevorzugt kaltes Wasser. Das Saugfluid ist bevorzugt warmes Wasser. Die Mischkammer 3 ist als eine Fangdüse 5 zum Strömungsverstärkenden Zusammenführen und gemeinsamen Ausleiten des Treibfluides und des Saugfluides auf eine Turbine ausgebildet. Hierzu weist die Fangdüse 5 einen
konvergenten Teil auf, in dem die erste Düse 2 und die zweite Düse angeordnet sind. Nach einer Ausleitöffnung 14 der als Fangdüse 5 ausgebildeten Mischkammer 3 weist die Fangdüse 5 einen divergenten Teil auf, der einen Diffusor bildet und zum Ausleiten des Treibfluides und des Saugfluides auf die Turbine dient. Erfindungswesentlich ist, dass ein Dampfdruck des Treibfluides vor der ersten Düse 2 kleiner ist als ein Dampfdruck des Saugfluides vor der zweiten Düse und ein Gasdruck in der Mischkammer 3 in einem Bereich 6 nach der ersten Düse 2 kleiner ist als ein Gasdruck in der Mischkammer 3 in einem Bereich 7 nach der zweiten Düse. Das Saugfluid verdampft beim Einleiten in die
Mischkammer 3 durch die zweite Düse. Beim Zusammenführen mit dem Treibfluid kondensiert das Saugfluid an dem Treibfluid in der Fangdüse 5. Das Düsenmodul 1 weist ein mit der als zweite Düse ausgebildeten Einleitöffnung 4 in Verbindung stehendes und der Einleitöffnung 4 vorgeschaltetes Reservoir 8 zum Bevorraten des Saugfluides auf. Gemäß der ersten Ausführungsform ist die Mischkammer 3 außerhalb des
Reservoirs 8 angeordnet. Die Mischkammer 3 ist mittels einer verstellbar ausgebildeten Spaltöffnung 9 in Form eines Ringspaltes mit dem
Reservoir 8 verbunden, wobei die zweite Düse durch den Ringspalt gebildet ist. Der Ringspalt ist einerseits von einer Innenwand 10 der Mischkammer 3 und andererseits von einer Umfangsfläche 1 1 eines gegen ein elastisches Rückstellelement 12 relativ zu der Mischkammer 3 verschiebbar gelagerten Stopfens 13 begrenzt. Das elastische
Rückstellelement 12 ist als eine Schraubenfeder ausgebildet, die auf Zug belastbar ist. Ein Abstand der ersten Düse 2 zu einer Ausleitöffnung 14 der als Fangdüse 5 ausgebildeten Mischkammer 3 ist kleiner als ein Abstand der als zweite Düse ausgebildeten Einleitöffnung 4 zu der Ausleitöffnung 14 der als Fangdüse 5 ausgebildeten Mischkammer 3. Somit trifft das verdampfte Saugfluid auf seinem Beschleunigungsweg in Richtung Fangdüse 5 auf das Treibfluid, an dem es kondensiert und in das es seine Energie einträgt. Die Fangdüse 5 beziehungsweise
Mischkammer 3 ist zu einer in Strömungsrichtung des Treibfluides verlaufenden Längsachse radialsymmetrisch ausgebildet und weist auf Höhe des Stopfens 13 einen konischen Bereich auf. Eine Breite des Ringspaltes ist durch eine zu der Längsachse axiale Position des
Stopfens 13 relativ zu der Fangdüse 5 einstellbar. Die Fangdüse 5 weist in ihrem konvergenten Teil in dem Bereich 6 nach der ersten Düse 2 einen kleineren Radius auf als in dem Bereich 7 nach der zweiten Düse. Ein in der Mischkammer 3 angeordnetes Rohrstück zum Einleiten des
Treibfluides in die erste Düse 2 ist zylindrisch ausgebildet. Ein in dem Reservoir 8 angeordnetes Rohrstück zum Einleiten des Treibfluides in die erste Düse 2 weist einen Faltenbalg auf, um eine zu der Längsachse axiale Verschiebbarkeit des Stopfens 13 bereitzustellen.
Die Fig. 2 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Düsenmoduls 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Das Düsenmodul 1 ist ähnlich zu dem in Fig. 1 dargestellten Düsenmodul 1 aufgebaut und weist ebenso ein mit der als zweite Düse ausgebildeten Einleitöffnung 4 in Verbindung stehendes und der als zweite Düse ausgebildeten
Einleitöffnung 4 vorgeschaltetes Reservoir 8 zum Bevorraten des
Saugfluides auf. Die Mischkammer 3 ist als eine Fangdüse 5 zum gemeinsamen Ausleiten des Treibfluides und des Saugfluides auf eine Turbine 17 ausgebildet. Allerdings ist gemäß der zweiten
Ausführungsform die Mischkammer 3 innerhalb des Reservoirs 8 angeordnet. Das Reservoir 8 ist gegenüber der Umgebung
abgeschlossen. Das Reservoir 8 und die darin angeordnete
Mischkammer 3 sind in der Regel so ausgebildet, dass ein Austausch von Wärmeenergie zwischen dem Reservoir 8 und der Mischkammer 3 stattfinden kann. Darüber hinaus umfasst das Reservoir 8 eine einen Druckaustauscher 15 aufweisende Zuleitung und eine eine
Unterdruckpumpe 16 aufweisende Ableitung zum Zuleiten
beziehungsweise Ableiten des Saugfluides, wobei die
Unterdruckpumpe 16 mit dem Druckaustauscher 15 in Wirkverbindung steht. Die Unterdruckpumpe 16 erzeugt in dem Reservoir 8 einen Unterdruck, der das Saugfluid durch die Zuleitung in das Reservoir 8 saugt. Die Temperatur des Saugfluides wird mittels eines an dem Reservoir 8 befestigten Temperatursensors 18 gemessen, wobei die gemessene Temperatur bei einer Steuerung der Unterdruckpumpe 16 berücksichtigt wird.
BEZUGSZEICHENLISTE
Düsenmodul
Erste Düse
Mischkammer
Einleitöffnung
Fangdüse
Bereich
Bereich
Reservoir
Spaltöffnung
Innenwand
Umfangsfläche
Rückstellelement
Stopfen
Ausleitöffnung
Druckaustauscher
Unterdruckpumpe
Turbine
Temperatursensor

Claims

PATENTANSPRÜCHE
Düsenmodul (1 ) für einen Energiewandler, umfassend eine erste Düse (2) zum Einleiten eines Treibfluides in eine Mischkammer (3) und eine Einleitöffnung (4) zum Einleiten eines Saugfluides in die Mischkammer (3), wobei die Mischkammer (3) eine Geometrie zum Strömungsverstärkenden Zusammenführen des Treibfluides und des Saugfluides in der Mischkammer (3) aufweist, dadurch
gekennzeichnet, dass ein Dampfdruck des Treibfluides vor der ersten Düse (2) kleiner ist als ein Dampfdruck des Saugfluides vor der Einleitöffnung (4) und ein Gasdruck in der Mischkammer (3) in einem Bereich (6) nach der ersten Düse (2) kleiner ist als ein
Gasdruck in der Mischkammer (3) in einem Bereich (7) nach der Einleitöffnung (4).
Düsenmodul (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mischkammer (3) als eine Fangdüse (5) zum gemeinsamen Ausleiten des Treibfluides und des Saugfluides auf eine Turbine (17) ausgebildet ist.
Düsenmodul (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einleitöffnung (4) als eine zweite Düse ausgebildet ist, wobei die zweite Düse das Saugfluid beim Einleiten in die
Mischkammer (3) verdampfend ausgebildet ist.
Düsenmodul (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischkammer (3) das Saugfluid beim Zusammenführen mit dem Treibfluid kondensierend ausgebildet ist.
5. Düsenmodul (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Düsenmodul (1 ) ein mit der Einleitöffnung (4) in Verbindung stehendes und der Einleitöffnung (4) vorgeschaltetes Reservoir (8) zum Bevorraten des Saugfluides aufweist.
Düsenmodul (1 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischkammer (3) mittels einer verstellbar ausgebildeten
Spaltöffnung (9) mit dem Reservoir (8) verbunden ist, wobei die Einleitöffnung (4) durch die Spaltöffnung (9) gebildet ist.
7. Düsenmodul (1 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltöffnung (9) einerseits von einer Innenwand (10) der
Mischkammer (3) und andererseits von einer Umfangsfläche (1 1 ) eines gegen ein elastisches Rückstellelement (12) relativ zu der Mischkammer (3) verschiebbar gelagerten Stopfens (13) begrenzt ist.
8. Düsenmodul (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand der ersten Düse (2) zu einer Ausleitöffnung (14) der Mischkammer (3) kleiner ist als ein Abstand der Einleitöffnung (4) zu der Ausleitöffnung (14) der
Mischkammer (3).
9. Düsenmodul (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Treibfluid Wasser ist und das Saugfluid Wasser ist und wobei eine Temperatur des Treibfluides vor der ersten Düse (2) niedriger ist als eine Temperatur des Saugfluides vor der Einleitöffnung (4).
Düsenmodul (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine osmotische Konzentration des Treibfluides größer ist als eine osmotische Konzentration des
Saugfluides.
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