EP3366894A1 - Vorrichtung zum umwandeln von thermischer energie - Google Patents

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EP3366894A1
EP3366894A1 EP17157833.9A EP17157833A EP3366894A1 EP 3366894 A1 EP3366894 A1 EP 3366894A1 EP 17157833 A EP17157833 A EP 17157833A EP 3366894 A1 EP3366894 A1 EP 3366894A1
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EP
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working medium
pressure
temperature
steam
expansion
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EP3366894B1 (de
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Arthur FLÜCK
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Agronorm Vertriebs GmbH
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    • F01K25/10—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 the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
    • F01K25/106—Ammonia
    • 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
    • F01D15/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of engines with devices driven thereby
    • F01D15/10—Adaptations for driving, or combinations with, electric generators
    • 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
    • F01K13/00—General layout or general methods of operation of complete plants
    • F01K13/02—Controlling, e.g. stopping or starting

Definitions

  • the invention relates to a device for converting thermal energy from a heat source into mechanical energy by means of a thermodynamic cycle with a working medium, which is guided in the cycle and thereby exposed to a varying pressure, wherein the respective pressure Sattdampftemperaturwert the working medium is associated, as well as a An expander for expanding the working fluid from an elevated pressure to a lower pressure, the working fluid having an exhaust temperature after expanding to the lower pressure. Furthermore, the invention relates to a corresponding method for converting thermal energy into mechanical energy.
  • thermodynamic cycle process a Clausius-Rankine cyclic process is usually carried out, which is widely used in steam power plants with water as a working medium.
  • the water is heated to about 600 ° C by means of high temperature heat sources such as coal, natural gas, petroleum and nuclear energy.
  • ORC process Organic Rankine Cycle Process
  • Organic working media can have a much lower boiling point than water and at evaporate at lower temperatures. Therefore, ORC processes are used to recycle thermal energy from low temperature heat sources that have temperatures of 60 ° C to 200 ° C.
  • Such heat sources are solar thermal or geothermal sources and waste heat from engines, industrial production processes and biogas plants. They can be used only insufficiently with conventional devices and methods.
  • the working medium undergoes periodic changes in its thermodynamic state variables such as temperature and pressure. Depending on the change in the state variables can be absorbed by the working medium energy from the environment or released into the environment. In this case, the working medium is therefore exposed to a changing pressure. It is first placed under a higher pressure as a liquid working medium and then vaporized by means of transferring thermal energy from the heat source and superheated. The result is a high-energy compressed working medium vapor, which can give its absorbed energy in an expansion of the increased pressure to a lower pressure by means of an expansion device again. The emitted energy can drive a generator to generate electrical energy in the form of mechanical energy.
  • the working medium vapor as the exhaust often has a proportion of liquid working medium.
  • This proportion of liquid working medium lowers the efficiency and life of many expansion devices.
  • most expansion devices such as positive displacement machines and, in particular, vane cell expander, typically require oil lubrication with a lubricating oil.
  • the lubricating oil By means of the lubricating oil, a friction between movable components of the expansion device can be kept low and leakage gaps can be sealed in an expansion space leading the working medium. If, on the other hand, the lubricating oil accumulates with the proportion of liquid working medium, the lubricating properties and sealing capabilities of the lubricating oil decrease.
  • the invention has for its object to provide an apparatus and a method for a thermodynamic cycle with a working medium for converting thermal energy.
  • the thermodynamic cycle should be optimized, in particular in terms of life and efficiency of the expansion device and the expansion process.
  • This object is achieved according to the invention with a device for converting thermal energy from a heat source into mechanical energy by means of a thermodynamic cyclic process with a working medium which is guided in the cyclic process and exposed to an alternating pressure, the respective pressure being associated with a saturated steam temperature value of the working medium. and an expander for expanding the working fluid from an elevated pressure to a lower pressure, the working fluid having an exhaust temperature after expanding to the lower pressure.
  • an adjusting device is provided for setting the evaporation temperature to a defined Abdampftemperaturwert above the lower pressure associated Sattdampftemperaturwerts.
  • the working medium guided in the cyclic process is exposed to a varying pressure, which in particular is periodic Changes is subject.
  • a saturated steam temperature value of the working medium associated.
  • the saturated steam temperature value is the temperature value at which liquid working medium is in equilibrium with gaseous working medium. It depends on the respective pressure, which is called the saturated steam pressure value.
  • the dependence on saturated steam pressure value and saturated steam temperature value can be represented as a phase boundary line between liquid and gaseous working medium in a vapor curve. The steam curve is specific to each working medium.
  • the working medium has a temperature below the saturated steam temperature value of the respective pressure to which it is currently exposed, then the working medium is liquid. If the working medium has a temperature above the saturated steam temperature value of the respective pressure, then the working medium is gaseous. Upon cooling of the gaseous working medium, first condensation drops of the working medium form when the saturated steam temperature value is reached.
  • the circulating process medium is to be expanded or expanded from an increased pressure to a lower pressure.
  • the pressure of the working fluid decreases to the lower pressure, but also the temperature of the working fluid.
  • the temperature which the working medium has after expanding to the lower pressure is referred to as evaporation temperature.
  • an adjustment device is provided with which this evaporation temperature can be set to a defined exhaust-steam temperature value above the saturated-steam temperature value associated with the lower pressure.
  • the Abdampftemperaturwert the working medium can be adjusted specifically above the Sattdampftemperaturwerts associated with the lower pressure.
  • the working medium which has an evaporation temperature value above the saturated steam temperature, is gaseous. Condensation of the working medium from its gaseous to its liquid state during and after expansion can be reliably avoided. Thus, a consistently condensate-free working medium vapor is achieved without a proportion of liquid working fluid in the associated expansion device.
  • liquid lubricant such as in particular a lubricating oil can not be contaminated with liquid working fluid.
  • the thus kept clean lubricant safely prevents friction between the movable components of the expansion device and seals the expansion space against leakage of working fluid reliably.
  • a subsequent heating to expel an otherwise occurring liquid working fluid in the usually recycled lubricant is not necessary.
  • the condensation of the gaseous working medium after expansion can be avoided independently of various external and internal conditions of the thermodynamic cycle.
  • the Abdampftemperaturwert the working medium is always set above the Sattdampftemperaturwerts associated with the lower pressure. It is therefore the Abdampftemperaturwert defined as a function of the lower pressure, which may vary depending on the inlet temperature and inlet pressure of the working medium in the expansion device. The inlet temperature and the inlet pressure are often dependent on the thermal energy of the heat source.
  • the Abdodenemperaturwert is defined as a function of the associated with the lower pressure saturated steam temperature value. This saturated steam temperature value is specific for each working medium, so that the condensation of the gaseous working medium after expansion, regardless of the type of working medium can always be reliably avoided.
  • the defined evaporation temperature value is preferably kept constant above the saturated steam temperature value associated with the lower pressure.
  • the evaporation temperature value kept constant in this way, expansion and condensation following the expansion after the expansion can be carried out particularly uniformly without large temperature fluctuations. In particular, only a small amount of internal friction losses in the working medium and little external friction losses occur with respect to a line carrying the working medium. Otherwise occurring energy losses can be saved.
  • the defined Abdampftemperaturwert is between 2 K and 12 K, preferably between 4 K and 8 K, and more preferably between 5 K and 6 K above the Sattdampftemperaturwerts associated with the lower pressure. It has been found that even such a small difference between the Abdodenemperaturwert and the relevant Sattdampftemperaturwert sufficient to safely avoid condensation in the working medium vapor in the expansion to the lower pressure. For a larger difference would require setting a higher evaporating temperature value, which would cause unnecessary energy loss.
  • the setting device it is advantageous by means of the setting device to increase a temperature of the working medium such that the evaporation temperature has the defined exhaust-steam temperature value above the saturated-steam temperature value associated with the lower pressure. Such a temperature increase is easy to carry out.
  • the working medium guided in a thermodynamic cyclic process is to be set in its liquid state of aggregation from a lower pressure to an elevated pressure. Thereafter, the working medium set under the increased pressure is isobaric to evaporate and overheat. The temperature of the working medium rises. Upon expansion of the compressed and superheated working medium vapor to the lower pressure, the temperature of the working medium vapor drops to the evaporation temperature.
  • the temperature of the working medium circulated in the cycle is now to be increased after evaporation and before or during expansion by means of the setting device such that the evaporation temperature then has the defined exhaust-steam temperature value above the saturated-steam temperature value associated with the lower pressure.
  • the temperature of the working medium within the expansion device is to be increased by means of the adjusting device.
  • the temperature during the expansion process can be increased, which is more energy efficient than a temperature increase of the superheated working medium vapor before expanding.
  • the temperature of the working medium is to increase towards the end of the expansion process.
  • the temperature of the relaxing working medium vapor is lower than at the beginning or in the middle of the expansion process.
  • the temperature of the working medium can be increased energy-saving from a relatively low temperature to the required temperature value with which the defined Abdampftemperaturwert is to be achieved after expansion.
  • the setting device advantageously comprises a steam supply for supplying steam to the working medium, wherein the steam is in particular superheated steam.
  • the steam-forming vapor molecules move quickly and transmit their movement in a collision correspondingly fast to the working medium-vapor molecules, which increases the temperature of the working medium vapor accordingly fast.
  • the temperature of the working medium vapor can be adjusted very targeted to the defined Abdampftemperaturwert. If the steam is overheated, the temperature increase is even faster.
  • the steam supply is adapted to supply the steam in the expansion device, in particular after supplying the guided in the cyclic process medium vapor in the expansion device.
  • the temperature of the working medium vapor can be increased energy-saving during expansion.
  • a preferably leading towards the end of expansion in the expansion device steam supply is particularly energy-saving according to the above-described embodiments.
  • the steam supply into the expansion device has the advantage that the supplied steam can expand as additional steam. This results in an additional expansion of the additional steam, which can be delivered in the form of additional mechanical power to the expansion device. Higher performance and associated higher efficiency of the expansion device can be achieved, which increases the efficiency of the entire device.
  • the vapor is advantageously a vapor of the working medium.
  • the working medium remains a pure working medium that is not contaminated with the vapor of another medium.
  • the vapor of the working medium comes from the same cycle as the working medium vapor itself, which is to be led into the expansion device at the beginning of expansion. It is energy and component saving only a single steam generation needed, for which particularly efficient thermal energy can be transferred from the heat source.
  • the expansion device is designed as a positive-displacement machine for passing the working medium into at least one expansion space or volume space that enlarges when passing through.
  • an inlet for introducing the set under the increased pressure working medium vapor is provided in the expansion space.
  • the recessed working medium vapor then displaces a component which limits the expansion space.
  • the expansion space is increased and at the same time moves the component for performing mechanical work.
  • Increasing the expansion space causes expansion of the working medium vapor from the increased pressure to the lower pressure.
  • the working medium vapor may be passed through the inlet and the additional steam through a positioned between the inlet and the outlet steam supply into the expansion space.
  • the working medium vapor can expand when passing through the enlarging expansion space and can be reheated during the enlarging expansion space by means of the supplied steam. Along with the supplied steam, the reheated working medium vapor may continue to expand toward the outlet.
  • the steam supply can be designed in such a displacement machine with two or more expansion spaces.
  • the steam supply may in this case be designed so that additional steam is to be directed into the expansion space in a targeted manner when the expansion space has reached a desired size. According to this size is then there correspondingly expanded and cooled working medium vapor, which is then specifically to heat.
  • the heated working medium vapor can then continue to expand in the expanding expansion space until, with the expansion space, an outlet is reached, from which the working medium vapor and the additional steam can escape.
  • at least the inlet for the working medium vapor is arranged spatially far enough away from the steam feed line that an expansion space located at the inlet is spatially separate from an expansion space located in the steam feed line.
  • the outlet is arranged spatially far enough away from the steam supply that an expansion space located at the outlet is spatially separate from the expansion space located in the steam supply.
  • This allows a particularly targeted increase in temperature during expansion in a defined expansion zone.
  • the defined expansion zone corresponds to the size of the expansion space at the steam supply.
  • a counter-pressure to the working medium is to be produced in such a way that the exhaust-steam temperature has the defined exhaust-steam temperature value above the saturated-steam temperature value associated with the lower pressure.
  • a structure of such a back pressure is particularly energy-efficient.
  • the lower pressure is initially not reached during expansion, but rather a lower pressure which is increased in accordance with the counterpressure.
  • the increased lower pressure is associated with a correspondingly increased saturated steam temperature value of the working medium.
  • the back pressure of the working medium vapor is initially maintained at the increased lower pressure and thereby has an evaporation temperature which corresponds to this increased saturated steam temperature value.
  • the increased lower pressure corresponding to the backpressure is then to be restrained or expanded to the lower pressure.
  • the working medium vapor has an evaporation temperature that corresponds to the defined evaporation temperature value above the saturated steam temperature value associated with the lower pressure. Condensation of the working medium vapor is safely avoided throughout the expansion process.
  • an expansion device for expanding the working medium from an elevated pressure to a lower pressure, in which the lower pressure can be achieved by means of a two-stage expansion process.
  • the increased pressure is to be expanded in a first expansion stage, first by means of the generation or build-up of back pressure to a first lower pressure.
  • the first lower pressure in a second expansion stage is to be expanded to a second lower pressure, the second lower pressure corresponding to the above-mentioned lower pressure after expansion.
  • the first and the second expansion stage can take place in a single expansion device.
  • the first expansion stage in a first expansion device and the second expansion stage are carried out separately in a second expansion device.
  • the first expansion device is designed in particular with a positive displacement machine and the second expansion device structurally simple as a line element within a line carrying the working fluid.
  • the first and second expansion means then represent the total expansion device.
  • a blocking element in particular with a valve for selectively opening and closing a working medium leading line is designed.
  • a working medium flow or working medium flow of the working medium guided in the cyclic process can be shut off in a structurally particularly simple and rapid manner. After such shut-off, the desired back pressure builds up on the working medium.
  • the back pressure can be broken down again with short reaction times if necessary, by the blocking element is designed with a valve that can be easily reopened.
  • the blocking element is arranged within the expansion device between the first and second expansion device, whereby then the described two-stage expansion process is made possible.
  • a condensation device for condensing the expanded working medium is provided, wherein the setting means a temperature measuring element for measuring a temperature of the working medium in the circulation direction after expanding and before condensing and / or a pressure measuring element for measuring the pressure of the working medium in the circulation direction after expanding and before condensing.
  • a control device is provided, with which the adjusting device is to be regulated as a function of the measured temperature and / or the measured pressure. In this way, the setting device can be used to adjust the steaming temperature to the desired defined steam temperature value as needed and reliably.
  • the temperature measuring element measures in particular the evaporation temperature of the working medium after expansion.
  • the evaporation temperature is also dependent on the temperature of an inlet vapor of the working medium when entering the expansion device.
  • the temperature of the working medium before condensing or the condensation temperature can be determined.
  • the condensation temperature value in this case corresponds in particular to the saturated steam temperature value associated with the lower pressure.
  • the invention is directed to a method for converting thermal energy from a heat source into mechanical energy by means of a thermodynamic cycle, with a working medium which is guided in the cyclic process and thereby exposed to an alternating pressure, wherein the respective pressure of a saturated steam temperature value of the working medium associated and a step of expanding the working fluid from an elevated pressure to a lower pressure, the working fluid having an evaporation temperature after expanding to the lower pressure.
  • the evaporation temperature is set to a defined Abdampftemperaturwert above the lower pressure associated Sattdampftemperaturwerts.
  • a device 10 and an associated method 12 for converting thermal energy from a heat source 14 are shown.
  • the device 10 forms a closed system of a process plant in which a thermodynamic cycle 16 is to be carried out by means of a working medium guided in the cycle 16.
  • the illustrated thermodynamic cycle 16 is a modified Organic Rankine Cycle (ORC) process in which the working medium is an organic working medium.
  • the working medium is designed with ammonia, preferably with anhydrous ammonia (NH 3 , R 717) in a concentration of more than 99, 6 percent by mass.
  • NH 3 , R 717 anhydrous ammonia
  • NH 3 , R 717 anhydrous ammonia
  • liquid ammonia has a high enthalpy of vaporization, with which relatively much energy must be expended to convert ammonia from its liquid to its gaseous state. Accordingly, a corresponding amount of energy can be stored in the gaseous ammonia and then converted into mechanical energy upon expansion.
  • the heat source 14 are low-temperature heat sources.
  • the heat source 14 may be a single heat source 14 or with two different heat sources 14 and 17 designed.
  • two different heat sources are utilized in which the heat source 14 has a lower temperature than the heat source 17.
  • the heat source 14 is an engine waste heat and the heat source 17 is an exhaust heat of an internal combustion engine of a combined heat and power plant.
  • the working medium is provided in the form of a pressure-liquefied gas.
  • the working fluid is under a pressure that represents a lower pressure 20, a lower pressure level of the thermodynamic cycle process 16.
  • a line 22 leads the working medium in a circulation direction 24 to a pressure increasing device 26.
  • the pressure increasing device 26 With the pressure increasing device 26, the pressure to which the working medium is subjected to increase from the lower pressure 20 to a pressure which is referred to as increased pressure 28 represents an upper pressure level of the cycle 16.
  • the liquid working medium is pumped by the pressure increasing device 26 through the line 22 to a heat transfer device 30.
  • the heat transfer device 30 comprises a first heat exchanger 32 and a series-connected second heat exchanger 34.
  • the first heat exchanger 32 is heat-transmitting coupled by means of a guided through a line 36 transmission medium with the heat source 14.
  • the second heat exchanger 34 is coupled to the heat source 17 by means of a transmission medium carried by a line 38.
  • a separator 40 having a lower space portion 42 and an upper space portion 44 is arranged.
  • the liquid working medium by means of the line 22nd guided.
  • the liquid working medium separates from any existing gaseous working medium and sinks into the lower space region 42.
  • a line 46 leads the thus separated liquid working medium in the first heat exchanger 32, which serves as a preheater and evaporator.
  • the liquid working medium is preheated by transferring thermal energy from the first heat source 14 and largely evaporated.
  • Such produced working medium vapor is a wet steam. This means that even small drops and finely distributed liquid working medium are present as condensate in the gaseous working medium.
  • the wet steam is guided out of the first heat exchanger 32 through a line 48 into the upper space region 44 of the separator 40.
  • the condensate fraction sinks into the lower space region 42 and collects there as a liquid working medium, while in the upper space region 44 only gaseous working medium remains. So it can be generated a particularly dry gaseous working medium.
  • the liquid working medium passes from the lower space region 42 through the line 46 back into the first heat exchanger 32 for reheating.
  • the separator 40 With the separator 40, the leading in its upper space portion 44 lines 22 and 48 and the leading from the lower space portion 42 line 46 evaporation according to a thermo-siphon principle is possible. This principle is based on the fact that during evaporation in the first heat exchanger 32, the density of the working medium located there is reduced due to the wet steam formed. Thus, the wet steam forced through the line 48 into the separator 40. Furthermore, always flows just as much liquid working fluid from the lower space portion 42 of the separator 40 through line 46 into the heat exchanger 32, which is just needed for evaporation. In the separator 40, an unillustrated level controller is provided with which the pressure increasing device 26 is to be regulated so that only as much working fluid is pumped to the first heat exchanger 32, which can also be evaporated.
  • the gaseous working medium from the upper space region 44 is guided through a line 50 into the second heat exchanger 34.
  • the second heat exchanger 34 serves as a superheater with which the gaseous working medium is to be overheated when transferring thermal energy from the heat source 17.
  • the superheated working medium vapor is then passed from the second heat exchanger 34 through a conduit 52 by means of an inlet valve 54 in an expansion device 56.
  • the expansion device 56 With the expansion device 56, the superheated working medium vapor from the increased pressure 28 to expand to the lower pressure 20, at the same time the temperature of the working medium decreases.
  • the released energy is transmitted as mechanical energy to the expansion device 56, which serves as a drive unit for a coupled to the expansion device 56 generator 58 for generating electrical energy.
  • a further expansion device connected in parallel to the expansion device 56 is provided into which the compressed and superheated working medium vapor is guided by means of an associated further inlet valve.
  • the further expansion device with its associated components is designated by the same reference numerals as the expansion device 56.
  • the expanded working medium vapor is led out in the circulation direction 24 after the expansion device 56 through a line or exhaust steam line 60 from the expansion device 56 and passed through a condenser 62. With the condenser 62, the expanded working medium vapor is cooled and condensed. The condensed working medium is passed into the collecting container 18, which is arranged in the line 22 in the direction of circulation 24 after the condensation device 62. Condensation of the thermodynamic cycle 16 is closed and can be repeated as often as necessary.
  • the device 10 has an oil supply circuit 64, each with an oil supply line 66, through which an oil is to be guided by means of a respective associated oil inlet valve 68 into the respectively associated expansion device 56.
  • the oil serves to seal and lubricate components of the expander 56.
  • the oil in the expander 56 may enter the working medium vapor. Therefore, the expanded working medium vapor is guided together with the oil from each expansion device 56 through the associated exhaust steam line 60 in a respective associated oil separator 70.
  • the oil separator 70 With the oil separator 70, the oil is to be separated from the expanded working medium vapor.
  • a separating element 71 is designed as a mechanical oil separator in the oil separator 70 arranged above. The separator 71 separates the oil as a liquid from the expanded working medium vapor as a gas mechanically and due to different densities of liquid and gas.
  • the thus purified expanded working medium vapor is passed from the oil separator 70 through the exhaust steam line 60 further in the cycle 16 to the condensation device 62.
  • the separated oil is directed from each oil separator 70 through an associated oil discharge line 72 into an oil collection tank 74.
  • the separated oil may contain a proportion of liquid working medium, which has formed during expansion of the working medium vapor in a conventional manner.
  • an oil heater 76 is provided to remove this portion of liquid working fluid is in the oil sump 74. With the oil heater 76, the separated oil is heated for so long and until the proportion of liquid working medium has almost completely evaporated or expelled from the oil.
  • a resulting working medium vapor is guided by means of a steam line 78 from the oil collecting 74 in the direction of circulation 24 between the oil separator 70 and the condenser 62 back into the exhaust steam line 60 and thus into the cycle 16.
  • an oil pump 80 is further arranged, with which the separated and purified by liquid working medium oil is passed through the oil supply line 66 again in the expansion device 56.
  • the oil heater 76 comprises a heating medium leading heating circuit line 82 which is coupled to the second heat source 17 to transmit heat.
  • Fig. 2 shows a schematic pressure (log) -Enthalpie diagram of the thermodynamic cycle process 16 of the method 12, which by means of the device 10 according to Fig. 1 is feasible.
  • the logarithm of the pressure 83 is plotted on the ordinate axis and the enthalpy 84 is plotted on the abscissa axis.
  • the illustrated arcuate line represents a phase boundary line 85 of the working medium again. As long as the phase boundary line 85 increases, this is the boiling line at which a transition from saturated liquid working medium to wet steam takes place. If the phase boundary line 85 falls, it represents the dew point, which marks a transition of the wet steam to a saturated working medium vapor.
  • the steam is also referred to as saturated steam.
  • a surface enclosed by the phase boundary line 85 and the axis of abscissa is a wet steam region 86 of the working medium, in which working medium vapor as gaseous phase and liquid working medium as liquid phase are present at the same time.
  • a method step or step 88 of the pressure increase set the working fluid by means of the pressure increasing device 26 under the increased pressure 28.
  • Ammonia is set from a lower pressure 18 of about 8.4 bar and a temperature of about 23 ° C under an elevated pressure 28 of about 37 bar and a temperature of about 30 ° C.
  • a step 90 of the preheating the working medium under the increased pressure 28 is heated isobarically to an evaporation temperature value associated with the increased pressure 28. For ammonia, this value is around 76 ° C.
  • a step 92 of the evaporation the still liquid, preheated to the evaporation temperature value working medium isobaric evaporated.
  • step 92 the majority of the thermal energy is supplied to the working medium.
  • the temperature of the working medium remains the same.
  • the working medium vapor produced in step 92 is isobarically superheated to an end temperature.
  • the final temperature for ammonia is about 120 ° C.
  • the superheated working medium vapor is adiabatically expanded as superheated ammonia gas in a step 96 of expansion by means of the two expansion devices 56 connected in parallel.
  • Adiabatic or adiabatic means that no heat is exchanged with the environment during expansion. During expansion, the actual conversion of thermal energy into mechanical energy takes place.
  • the working medium entering the expansion device 56 has the increased pressure 28 as the inlet pressure and the temperature of the superheated working medium vapor as the inlet temperature.
  • the emerging from the expander 56 working medium then has the lower Pressure 20 as Abdampfdruck and an evaporation temperature, which is lower than the inlet temperature.
  • Entering ammonia has the increased pressure 28 of about 37 bar and the inlet temperature of about 120 ° C and exiting ammonia has the lower pressure 20 of about 8.4 bar and the evaporation temperature of about 23 ° C.
  • a liquid fraction in the exhaust steam is contained in the exiting working medium vapor, since both the inlet temperature and the evaporation temperature are subjected to certain tolerances.
  • Abdampfemperatur ie the end point of the step 96 of expanding, is located in the wet steam region 86th
  • the expanded working medium exiting the expansion device 56 is isobarically condensed in a step 98 of condensation by means of the condensation device 62 and thus again reaches its initial state in the cyclic process 16.
  • Fig. 3 shows a saturation vapor pressure curve or vapor pressure line or vapor curve 100 of the guided in the cycle 16 working medium, in this case the vapor curve 100 of ammonia.
  • the temperature is plotted on the ordinate axis and the pressure on the abscissa axis.
  • the curved line represents the vapor curve 100 of the working medium and is the phase boundary line between liquid and gaseous working medium. Accordingly, it can be read on the steam curve 100 which saturated steam temperature value is associated with a respective pressure of the working medium at which gaseous working medium begins to condense.
  • the lower pressure 20 includes the saturated steam temperature value 102, which for ammonia has a value of 23 ° C. at a lower pressure 20 of 8.4 bar.
  • Fig. 4 and Fig. 7 show a section of the device 10, in which, unlike the device 12 according to Fig. 1 an adjusting means 104 for adjusting the evaporation temperature of the working medium after the step 96 of expanding is provided.
  • the Abdampftemperatur is set to a defined Abdampftemperaturwert 106 above the lower pressure 20 associated Sattdampftemperaturwerts value 102.
  • the defined Abdampftemperaturwert 106 is between 4 K and 8 K above the lower pressure 20 associated Sattdampftemperaturwerts value 102.
  • the adjusting means 104 comprises a steam supply 108 for supplying steam during the step 96 of expanding into each expansion means 56. Such feeding of steam is also referred to as an intermediate injection. With such a steam supply 108, the temperature of the working medium vapor during expansion can be increased such that the evaporation temperature of the working medium after the step 96 has the defined Abdodenemperaturwert 106.
  • the steam supply 108 is designed in each case with a steam supply line 110 and an additional inlet valve 112 arranged therein, which lead in the circulation direction 24 to the inlet valve 54 into the associated expansion device 56.
  • the steam supply line 110 is fluid-conductively connected to the line 52.
  • the working medium vapor superheated by means of the second heat exchanger 34 can be conducted from the line 52 through the additional inlet valve 112 into the expansion device 56.
  • the superheated working medium vapor is passed into the expansion device 56 at an advanced stage, in particular toward the end of the step 96 of expansion.
  • the adjusting device 104 in each case one associated with each expansion device 56 temperature measuring element 114 which is arranged in the direction of circulation 24 after expanding shortly after each oil separator 70. Arranged in this way, the evaporation temperature of the working medium can be determined by means of the temperature measuring element 114.
  • one is in the direction of circulation 24 arranged shortly before the condensation device 62 arranged temperature measuring element 116 and a pressure measuring element 118 arranged shortly before.
  • the pressure measuring element 118 and the temperature measuring element 116 belonging to the condensation device 62 are respectively coupled to the temperature measuring element 114 belonging to an expansion device 56.
  • the measured values can each be transferred to a control device 120 belonging to each expansion device 56.
  • the controller 120 then opens and closes the additional inlet valve 112 for supplying steam into the expansion device 56 in response to the measurement result.
  • a pressure value of the lower pressure 20 that is currently valid in the cycle 16 is measured by the pressure measuring element 118 just before the condensation device 62.
  • the lower pressure 20 may vary depending on the inlet pressure value of the increased pressure 28 into the expansion device 56 and depending on the condensation temperature of the condensation device 62.
  • the corresponding currently valid saturated steam temperature value 102 results.
  • the additional inlet valve 112 is opened by the control device 120 as long and / or until is measured with the temperature measuring element 114 of the defined Abdodenemperaturwert 106.
  • the duration and opening width of the inlet valve 112 so that a corresponding amount of additional steam is supplied until the defined Abdodenemperaturwert 106 is reached and in particular kept constant.
  • the temperature value of the working medium upstream of the condensation device 62 can be determined with the temperature measuring element 116.
  • This measured temperature value corresponds to a currently valid saturated steam temperature value 102, that of a cooling capacity of the condensation device 62 is dependent.
  • the cooling capacity may vary according to the temperature of the coolant. In particular, when the coolant is structurally particularly simple and inexpensive air from the environment, the cooling capacity is directly dependent on the prevailing outside temperature.
  • the additional inlet valve 112 is opened by means of the control device 120 as long and / or until the defined temperature threshold value 106 is measured with the temperature measuring element 114.
  • the associated saturated steam pressure value can be determined in accordance with the steam curve 100. This saturated steam pressure value corresponds to the applicable lower pressure 20.
  • Fig. 5 are different from the diagram according to Fig. 2
  • lines are entered that correspond to the isotherms, ie lines of the same temperature.
  • 122 designates the 20 ° C isotherm 122 and 124 the 30 ° C isotherm 124.
  • step 96 it can be seen along step 96 how the temperature of the working medium increases when supplying superheated working medium vapor towards the end of expansion by means of the steam supply 108 .
  • the working fluid Upon reaching the lower pressure 20, the working fluid has the defined Abdampftemperaturwert 106 above the lower pressure 20 associated Sattdampftemperaturwerts value 102.
  • the end point of step 96 is relatively far outside the wet steam region 86, so that condensate in the exhaust steam is reliably avoided.
  • the defined Abdampftemperaturwert 106 about 28 ° C and is thus about 5 K above the saturated steam temperature value 102 of about 23 C at the lower pressure 20 of about 8.4 bar.
  • Fig. 6 shows the expansion device 56, which in the apparatus 10 according to Fig. 4 used and designed with a rotary vane machine as Verdrängermaschine.
  • the rotary vane machine is a rotary piston expander, which is opposite a rotary piston compressor operates and in the present case is a vane cell expander.
  • Such a vane cell expander has a ring housing 126 with an inlet 128 and an outlet 130.
  • the inlet 128 serves to admit the working medium vapor under increased pressure 28 and the outlet 130 to discharge the expanded working medium vapor.
  • each flow direction of the working medium vapor is indicated by a flow arrow.
  • the ring housing 126 is formed with a cylindrical hollow cylinder whose inner circumferential surface forms an inner annular wall 132.
  • a rotary piston 134 rotatably mounted centrally about a shaft 136.
  • the rotary piston 134 comprises along its longitudinal extent eight grooves 138, in each of which an associated slider 140 is mounted radially displaceable back and forth.
  • two opposite, not shown boundary surfaces are provided in the axial direction.
  • the individual variable volume 144 is formed in that the respective slide 140 is pressed sealingly against the annular wall 132 in the course of a rotation by acting centrifugal forces.
  • variable volume 144 increases during the rotational movement from the inlet 128 to the outlet 130, so that when passing the working medium vapor under increased pressure 28, this working medium vapor is expanded.
  • the working medium vapor presses in the direction of rotation against a respective slide 140, so that the rotational movement is set in motion and held.
  • the shaft 136 is driven, which in turn drives the generator 58 for generating electric current.
  • variable volume 144 of each cell 142 is dependent in its size on a rotation angle associated rotation angle, which can be divided into individual successive rotation angle zones.
  • the volume 144 in a rotational angle zone 146 has its minimum volume.
  • the volume 144 in a rotation angle zone 148 increases slowly during the inflow of the compressed working medium vapor and is expanded in the rotation angle zone 150 up to its maximum volume.
  • the temperature of the working medium vapor decreases.
  • superheated working medium vapor is fed into or interjected by the steam supply line 110 by means of the steam supply 108 into each cell 142.
  • the temperature of the relaxing working medium vapor is raised so far that the Abdampftemperatur of exiting through the outlet 130 working medium vapor has the defined Abdampftemperaturwert 106.
  • the thus moderately heated and at the maximum volume relaxed working medium vapor then flows in a rotation angle zone 152 except for a small residual volume from the outlet 130.
  • the working medium vapor exiting through the outlet 130 of each cell 142 is the working medium vapor admitted through the inlet 128 together with the intermediate injected working medium vapor.
  • the residual volume remains in the respective cell 142 and is compressed via the rotational angle zone 146 until at the inlet 128 again compressed working medium vapor flows in. This process repeats periodically.
  • the expansion ratio that is, the ratio between the volume 144 at the inlet 128 and the volume 144 at the outlet 130 is set to 1 to 3 to 1 to 4 and thus specially adapted for the working medium ammonia.
  • the oil feed line 66 is provided for supplying oil ( Fig. 4 ).
  • the running surface of the slider 140 along the annular wall 132 is especially sealed and lubricated.
  • the oil mixes when expanding the working medium vapor as already described with the working medium vapor and is discharged through the exhaust steam line 60 through the oil separator 70 from the expansion device 56 again.
  • the oil separator 70 the oil separates again to working medium vapor. Characterized in that in the separated oil by means of the devices 10 according to Fig. 4 and Fig. 7 a proportion of liquid working fluid is reliably avoided, the otherwise required oil heater 76 according to Fig. 1 cost and energy saving accounts.
  • a valve or exhaust control valve 154 is provided as a blocking element 156, with which the exhaust steam line 60 can be shut off.
  • the working fluid is accumulated in the exhaust steam line 60 against the circulation direction 24 and the flow direction, whereby the desired Counterpressure can be generated. With an opening of the exhaust control valve 154, the back pressure can be reduced again when needed.
  • the adjustment device 104 comprises the device 10 according to FIG Fig. 7 the temperature measuring element 114 after expanding in the direction of circulation 24 just before the exhaust control valve 154.
  • the temperature measuring element 116 is arranged, with there the currently valid saturated steam temperature value 102 of the working medium, such as Fig. 4 described, is determinable.
  • the pressure measuring element 118 is provided in the direction of circulation 24 after the exhaust control valve 154 and just before the condensation device 62. With the pressure measuring element 118, a pressure value of the lower pressure 20 that is currently valid in the cycle 16 can be selected shortly before the condensation device 62 in accordance with the explanations Fig. 4 be measured.
  • the temperature measuring elements 114 and 116 and the pressure measuring element 118 are coupled to transmit data to the control device 120, which closes or opens the exhaust control valve 154 depending on the measurement result.
  • the control device 120 closes or opens the exhaust control valve 154 depending on the measurement result.
  • the corresponding currently valid saturated steam temperature value 102 results according to the steam curve 100 stored in the control device 120.
  • the exhaust control valve 154 is activated by means of the control device 120 as long and / or closed so far until with the temperature measuring element 114 or 116 of the defined Abdampftemperaturwert 106 is measured.
  • the exhaust steam pressure is raised to a first lower pressure 158 by means of the exhaust control valve 154, which is slightly higher than the lower pressure 20.
  • the superheated working medium vapor by means of the expansion device 56 in a first expansion stage 160 first to the first lower Pressure 158 relaxed.
  • This first lower pressure 158 is according to the steam curve 100 a saturated steam temperature of about 33 ° C belonging.
  • the first lower pressure 158 is then restressed in a second expansion stage 162 to a second lower pressure corresponding to the lower pressure 20.
  • the lower pressure 20 is the condensation pressure of the working medium, that is, the pressure at which the working fluid is condensed in the condenser 62.
  • the Fig. 8 It can be seen that the temperature of the working medium after Restentspannen at the lower pressure 20 has the defined Abdampftemperaturwert 106 above the lower pressure 20 associated Sattdampftemperaturemperatur 102. The end point of step 96 is thus outside of the wet steam region 86, whereby condensation of the working medium vapor is prevented.
  • the pressure booster 26 is designed with a steam pump.
  • the steam pump is used to increase the pressure on the working fluid under the action of steam on the working fluid.
  • the steam pump is heat-transmitting coupled by means of the heat transfer device 30 and a Dampfüber Kunststoffstoffs to the heat source 14.
  • the working medium vapor formed with the heat transfer device 30 is partly to be transferred from the vapor transfer means into the vapor pump.
  • the thermal energy of the heat source 14 can be particularly well utilized and also an otherwise required electrical energy for the pressure booster 26 can be saved. Overall, the efficiency can be increased again.
  • a drying process for drying a substance can also be optimized in terms of energy.
  • released energy of the step 98 of condensing the working medium is coupled energy-transmitting with the drying process.
  • the engine waste heat and the waste heat of a combustion process of fuel, in particular biogas are coupled energy-transmitting with the drying process.

Abstract

Bei einer Vorrichtung zum Umwandeln von thermischer Energie aus einer Wärmequelle in mechanische Energie mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses mit einem Arbeitsmedium, das in dem Kreisprozess geführt und dabei einem wechselnden Druck ausgesetzt ist, wobei dem jeweiligen Druck ein Sattdampftemperaturwert des Arbeitsmediums zugehörig ist, sowie einer Expansionseinrichtung zum Expandieren des Arbeitsmediums von einem erhöhten Druck auf einen niedrigeren Druck, wobei das Arbeitsmedium nach dem Expandieren auf den niedrigeren Druck eine Abdampftemperatur aufweist, ist eine Einstelleinrichtung zum Einstellen der Abdampftemperatur auf einen definierten Abdampftemperaturwert oberhalb des dem niedrigeren Druck zugehörigen Sattdampftemperaturwerts vorgesehen.

Description

    Hintergrund der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umwandeln von thermischer Energie aus einer Wärmequelle in mechanische Energie mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses mit einem Arbeitsmedium, das in dem Kreisprozess geführt und dabei einem wechselnden Druck ausgesetzt ist, wobei dem jeweiligen Druck ein Sattdampftemperaturwert des Arbeitsmediums zugehörig ist, sowie einer Expansionseinrichtung zum Expandieren des Arbeitsmediums von einem erhöhten Druck auf einen niedrigeren Druck, wobei das Arbeitsmedium nach dem Expandieren auf den niedrigeren Druck eine Abdampftemperatur aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein dementsprechendes Verfahren zum Umwandeln von thermischer Energie in mechanische Energie.
  • Gattungsgemäße Vorrichtungen und Verfahren werden zum Erzeugen von elektrischer Energie aus thermischer Energie zu einer sogenannten Wärmeverstromung genutzt. Als thermodynamischer Kreisprozess wird dabei in der Regel ein Clausius-Rankine-Kreisprozess durchgeführt, der in Dampfkraftwerken weit verbreitet mit Wasser als Arbeitsmedium abläuft. Das Wasser wird mittels Hochtemperatur-Wärmequellen, wie Kohle, Erdgas, Erdöl und Kernenergie auf etwa 600 °C erhitzt. Wird anstatt Wasser ein organisches Arbeitsmedium verwendet, spricht man vom sogenannten ORC-Prozess (Organic-Rankine-Cycle-Process). Organische Arbeitsmedien können einen weit tieferen Siedepunkt als Wasser aufweisen und bei niedrigeren Temperaturen verdampfen. Deswegen werden ORC-Prozesse dazu verwendet, thermische Energie aus Niedertemperatur-Wärmequellen zu verwerten, die Temperaturen von 60 °C bis 200 °C aufweisen. Solche Wärmequellen sind solarthermische oder geothermische Quellen sowie Abwärme von Motoren, Industrieproduktionsprozessen und Biogasanlagen. Sie können mit herkömmlichen Vorrichtungen und Verfahren nur ungenügend verwertet werden.
  • In einem thermodynamischen Kreisprozess durchläuft das Arbeitsmedium periodische Änderungen in seinen thermodynamischen Zustandsgrößen wie Temperatur und Druck. Je nach Änderung der Zustandsgrößen kann vom Arbeitsmedium Energie aus der Umgebung aufgenommen oder in die Umgebung abgegeben werden. Dabei ist das Arbeitsmedium also einem wechselnden Druck ausgesetzt. Es wird zunächst als flüssiges Arbeitsmedium unter einen erhöhten Druck gesetzt und dann mittels Übertragen von thermischer Energie aus der Wärmequelle verdampft und überhitzt. Es entsteht ein energiereicher komprimierter Arbeitsmedium-Dampf, der seine aufgenommene Energie bei einer Expansion von dem erhöhten Druck auf einen niedrigeren Druck mittels einer Expansionseinrichtung wieder abgeben kann. Die abgegebene Energie kann in Form von mechanischer Energie einen Generator zum Erzeugen von elektrischer Energie antreiben.
  • Nach der Expansion bzw. des Expansionsprozesses weist der Arbeitsmedium-Dampf als Abdampf oftmals einen Anteil an flüssigem Arbeitsmedium auf. Dieser Anteil an flüssigem Arbeitsmedium erniedrigt den Wirkungsgrad und die Lebensdauer vieler Expansionseinrichtungen. Ein wesentlicher Grund dafür ist, dass die meisten Expansionseinrichtungen, wie zum Beispiel Verdrängermaschinen und insbesondere Flügelzellexpander, in der Regel eine Ölschmierung mit einem Schmieröl benötigen. Mittels des Schmieröls kann eine Reibung zwischen beweglichen Bauteilen der Expansionseinrichtung gering gehalten und können Leckspalten in einem das Arbeitsmedium führenden Expansionsraum abgedichtet werden. Reichert sich hingegen das Schmieröl mit dem Anteil an flüssigem Arbeitsmedium an, so sinken die Schmiereigenschaften und Abdichtfähigkeiten des Schmieröls.
  • Geringere Schmiereigenschaften erhöhen einen Verschleiß an den beweglichen Bauteilen. Geringere Abdichtfähigkeiten führen zu höheren Leckverlusten des Arbeitsmediums in der Expansionseinrichtung und damit zu einem niedrigeren Wirkungsgrad. Zudem ist eine zusätzliche Heizenergie für ein nachträgliches thermisches Austreiben von flüssigem Arbeitsmedium aus einem rückgeführten Schmieröl notwendig, was den Wirkungsgrad weiter erniedrigt.
    • Zugrundeliegende Aufgabe
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren für einen thermodynamischen Kreisprozess mit einem Arbeitsmedium zum Umwandeln von thermischer Energie zu schaffen. Dabei soll der thermodynamische Kreisprozess optimiert werden, insbesondere hinsichtlich Lebensdauer und Wirkungsgrad der Expansionseinrichtung und des Expansionsprozesses.
    • Erfindungsgemäße Lösung
  • Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung zum Umwandeln von thermischer Energie aus einer Wärmequelle in mechanische Energie mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses mit einem Arbeitsmedium, das in dem Kreisprozess geführt und dabei einem wechselnden Druck ausgesetzt ist, wobei dem jeweiligen Druck ein Sattdampftemperaturwert des Arbeitsmediums zugehörig ist, sowie einer Expansionseinrichtung zum Expandieren des Arbeitsmediums von einem erhöhten Druck auf einen niedrigeren Druck, wobei das Arbeitsmedium nach dem Expandieren auf den niedrigeren Druck eine Abdampftemperatur aufweist, gelöst. Dabei ist eine Einstelleinrichtung zum Einstellen der Abdampftemperatur auf einen definierten Abdampftemperaturwert oberhalb des dem niedrigeren Druck zugehörigen Sattdampftemperaturwerts vorgesehen.
  • Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das in dem Kreisprozess geführte Arbeitsmedium einem wechselnden Druck ausgesetzt, der insbesondere periodischen Änderungen unterworfen ist. Dabei ist jedem jeweiligen Druck, dem das Arbeitsmedium ausgesetzt ist, ein Sattdampftemperaturwert des Arbeitsmediums zugehörig. Der Sattdampftemperaturwert ist der Temperaturwert, bei dem sich flüssiges Arbeitsmedium mit gasförmigem Arbeitsmedium im Gleichgewicht befindet. Er ist vom jeweiligen Druck abhängig, der als Sattdampfdruckwert bezeichnet wird. Die Abhängigkeit von Sattdampfdruckwert und Sattdampftemperaturwert kann als Phasengrenzlinie zwischen flüssigem und gasförmigem Arbeitsmedium in einer Dampfkurve dargestellt werden. Die Dampfkurve ist für jedes Arbeitsmedium spezifisch.
  • Weist das Arbeitsmedium eine Temperatur unterhalb des Sattdampftemperaturwerts des jeweiligen Drucks auf, dem es gerade ausgesetzt ist, so ist das Arbeitsmedium flüssig. Weist das Arbeitsmedium eine Temperatur oberhalb des Sattdampftemperaturwerts des jeweiligen Drucks auf, so ist das Arbeitsmedium gasförmig. Bei einem Abkühlen des gasförmigen Arbeitsmediums bilden sich beim Erreichen des Sattdampftemperaturwerts erste Kondensationstropfen des Arbeitsmediums.
  • Mittels der Expansionseinrichtung ist das im Kreisprozess geführte Arbeitsmedium von einem erhöhten Druck auf einen niedrigeren Druck zu expandieren bzw. zu entspannen. Beim Expandieren sinkt nicht nur der Druck des Arbeitsmediums auf den niedrigeren Druck, sondern auch die Temperatur des Arbeitsmediums. Die Temperatur, die das Arbeitsmedium nach dem Expandieren auf den niedrigeren Druck aufweist, ist als Abdampftemperatur bezeichnet.
  • Erfindungsgemäß ist eine Einstelleinrichtung vorgesehen, mit der diese Abdampftemperatur auf einen definierten Abdampftemperaturwert oberhalb des dem niedrigeren Druck zugehörigen Sattdampftemperaturwerts einstellbar ist. Mit einer solchen Einstelleinrichtung kann der Abdampftemperaturwert des Arbeitsmediums gezielt oberhalb des dem niedrigeren Druck zugehörigen Sattdampftemperaturwerts eingestellt werden. Das Arbeitsmedium, das einen Abdampftemperaturwert oberhalb der Sattdampftemperatur aufweist, ist gasförmig. Ein Kondensieren des Arbeitsmediums von seinem gasförmigen in seinen flüssigen Aggregatzustand beim und nach dem Expandieren kann zuverlässig vermieden werden. Damit ist in der zugehörigen Expansionseinrichtung ein durchwegs kondensatfreier Arbeitsmedium-Dampf ohne einem Anteil an flüssigem Arbeitsmedium erreicht. In und an der Expansionseinrichtung vorhandenes und in der Regel flüssiges Schmiermittel, wie insbesondere ein Schmieröl, kann nicht mit flüssigem Arbeitsmedium verunreinigt werden. Das derart sauber gehaltene Schmiermittel verhindert sicher die Reibung zwischen beweglichen Bauteilen der Expansionseinrichtung und dichtet den Expansionsraum gegenüber einem Austritt von Arbeitsmedium zuverlässig ab. Zudem ist ein nachträgliches Erhitzen zum Austreiben eines andernfalls auftretenden flüssigen Arbeitsmediums im in der Regel rückgeführten Schmiermittel nicht nötig. Damit sind sowohl der Wirkungsgrad als auch die Lebensdauer der Expansionseinrichtung gemäß der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Vergleich zu herkömmlichen gattungsgemäßen Vorrichtungen erheblich verbessert.
  • Die erfindungsgemäße Lösung überrascht zunächst, da für die Einstelleinrichtung zusätzliche Bauteile und ein zusätzlicher Energieaufwand benötigt werden. Zudem ergibt sich im Vergleich zu herkömmlichen gattungsgemäßen Vorrichtungen ein höherer Abdampftemperaturwert. Ein solch höherer Abdampftemperaturwert resultiert in einem Energieverlust. Es kann bei der Expansion entsprechend vergleichsweise weniger Energie freigesetzt werden, die als mechanische Energie weiter nutzbar ist. Erfindungsgemäß hat sich jedoch überraschenderweise gezeigt, dass der Vorteil des durchwegs kondensatfreien Arbeitsmedium-Dampfes in der Expansionseinrichtung den zusätzlichen Energieaufwand und den resultierenden Energieverlust bei weitem überwiegt.
  • Ferner kann mit der erfindungsgemäßen Lösung die Kondensation des gasförmigen Arbeitsmediums nach dem Expandieren unabhängig von verschiedensten äußeren und inneren Bedingungen des thermodynamischen Kreisprozesses vermieden werden. Egal welche thermische Energie die Wärmequelle aufweist und egal welche Temperatur und welchen Druck das Arbeitsmedium bei Eintritt in die Expansionseinrichtung hat, ist der Abdampftemperaturwert des Arbeitsmediums immer oberhalb des dem niedrigeren Druck zugehörigen Sattdampftemperaturwerts eingestellt. Es ist also der Abdampftemperaturwert in Abhängigkeit des niedrigeren Drucks definiert, der je nach Eintrittstemperatur und Eintrittsdruck des Arbeitsmediums in die Expansionseinrichtung variieren kann. Dabei sind die Eintrittstemperatur und der Eintrittsdruck oftmals abhängig von der thermischen Energie der Wärmequelle. Zudem ist der Abdampftemperaturwert in Abhängigkeit des zum niedrigeren Druck gehörigen Sattdampftemperaturwerts definiert. Dieser Sattdampftemperaturwert ist für jedes Arbeitsmedium spezifisch, sodass die Kondensation des gasförmigen Arbeitsmediums nach dem Expandieren auch unabhängig von der Art des Arbeitsmediums immer zuverlässig vermieden werden kann.
  • Erfindungsgemäß bevorzugt ist der definierte Abdampftemperaturwert dabei konstant oberhalb des dem niedrigeren Druck zugehörigen Sattdampftemperaturwerts zu halten. Mit dem derart konstant gehaltenen Abdampftemperaturwert kann die Expansion und eine im Kreisprozess nach der Expansion folgende Kondensation besonders gleichmäßig ohne große Temperaturschwankungen durchgeführt werden. Dabei treten insbesondere nur wenig innere Reibungsverluste im Arbeitsmedium und wenig äußere Reibungsverluste gegenüber einer das Arbeitsmedium führenden Leitung auf. Andernfalls auftretende Energieverluste können eingespart werden.
  • In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise liegt der definierte Abdampftemperaturwert zwischen 2 K und 12 K, bevorzugt zwischen 4 K und 8 K sowie besonders bevorzugt zwischen 5 K und 6 K oberhalb des dem niedrigeren Druck zugehörigen Sattdampftemperaturwerts. Es wurde festgestellt, dass bereits ein solch geringer Unterschied zwischen dem Abdampftemperaturwert und dem maßgeblichen Sattdampftemperaturwert ausreicht, um eine Kondensation im Arbeitsmedium-Dampf bei der Expansion auf den niedrigeren Druck sicher vermeiden zu können. Für einen größeren Unterschied müsste ein höherer Abdampftemperaturwert eingestellt werden, was einen unnötigen Energieverlust verursachen würde.
  • Ferner ist erfindungsgemäß vorteilhaft mittels der Einstelleinrichtung eine Temperatur des Arbeitsmediums derart zu erhöhen, dass die Abdampftemperatur den definierten Abdampftemperaturwert oberhalb des dem niedrigeren Druck zugehörigen Sattdampftemperaturwerts aufweist. Eine solche Temperaturerhöhung ist einfach durchführbar.
  • Bekanntermaßen ist das in einem thermodynamischen Kreisprozess geführte Arbeitsmedium in seinem flüssigen Aggregatzustand von einem niedrigeren Druck unter einen erhöhten Druck zu setzen. Danach ist das unter den erhöhten Druck gesetzte Arbeitsmedium isobar zu verdampfen und zu überhitzen. Dabei steigt die Temperatur des Arbeitsmediums. Beim Expandieren des komprimierten und überhitzten Arbeitsmedium-Dampfes auf den niedrigeren Druck sinkt die Temperatur des Arbeitsmedium-Dampfes auf die Abdampftemperatur.
  • Erfindungsgemäß bevorzugt ist die Temperatur des im Kreisprozess geführten Arbeitsmediums nun nach dem Verdampfen und vor oder beim Expandieren mittels der Einstelleinrichtung derart zu erhöhen, dass dann die Abdampftemperatur den definierten Abdampftemperaturwert oberhalb des dem niedrigeren Druck zugehörigen Sattdampftemperaturwerts aufweist.
  • Erfindungsgemäß besonders bevorzugt ist mittels der Einstelleinrichtung die Temperatur des Arbeitsmediums innerhalb der Expansionseinrichtung zu erhöhen. Damit kann die Temperatur während des Expansionsprozesses erhöht werden, was energiesparender ist als eine Temperaturerhöhung des überhitzten Arbeitsmedium-Dampfes vor dem Expandieren. Insbesondere ist dabei die Temperatur des Arbeitsmediums gegen Ende des Expansionsprozesses zu erhöhen. Gegen Ende des Expansionsprozesses ist die Temperatur des sich entspannenden Arbeitsmedium-Dampfes niedriger als am Anfang oder in der Mitte des Expansionsprozesses. Damit kann die Temperatur des Arbeitsmediums energiesparend von einer vergleichsweise niedrigen Temperatur auf den benötigten Temperaturwert angehoben werden, mit dem nach dem Expandieren der definierte Abdampftemperaturwert erreicht werden soll.
  • Ferner umfasst die Einstelleinrichtung erfindungsgemäß vorteilhaft eine Dampfzuführung zum Zuführen von Dampf zum Arbeitsmedium, wobei der Dampf insbesondere überhitzter Dampf ist. Den Dampf bildende Dampf-Moleküle bewegen sich schnell und übertragen ihre Bewegung bei einem Zusammenstoß entsprechend schnell an die Arbeitsmedium-Dampf-Moleküle, was die Temperatur des Arbeitsmedium-Dampfes entsprechend schnell erhöht. Zudem kann je nach Temperatur und Menge des zuzuführenden Dampfes die Temperatur des Arbeitsmedium-Dampfes sehr zielgerichtet auf den definierten Abdampftemperaturwert eingestellt werden. Ist der Dampf überhitzt, so erfolgt die Temperaturerhöhung noch schneller.
  • Bevorzugt ist die Dampfzuführung dazu angepasst, den Dampf in die Expansionseinrichtung zuzuführen, insbesondere nach dem Zuführen des im Kreisprozess geführten Arbeitsmedium-Dampfes in die Expansionseinrichtung. Damit kann die Temperatur des Arbeitsmedium-Dampfes energiesparend während des Expandierens erhöht werden. Eine bevorzugt gegen Ende des Expandierens in die Expansionseinrichtung führende Dampfzuführung ist gemäß oben beschriebener Ausführungen besonders energiesparend.
  • Darüber hinaus hat die Dampfzuführung in die Expansionseinrichtung den Vorteil, dass der zugeführte Dampf als zusätzlicher Dampf expandieren kann. Daraus resultiert eine zusätzliche Expansionsleistung des zusätzlichen Dampfes, die in Form von zusätzlicher mechanischer Leistung an die Expansionseinrichtung abgegeben werden kann. Eine höhere Leistung und ein damit verbundener höherer Wirkungsgrad der Expansionseinrichtung sind erzielbar, was den Wirkungsgrad der gesamten Vorrichtung erhöht.
  • Ferner ist der Dampf erfindungsgemäß vorteilhaft ein Dampf des Arbeitsmediums. Damit bleibt das Arbeitsmedium trotz des Zuführens von zusätzlichem Dampf ein reines Arbeitsmedium, das nicht mit dem Dampf eines anderen Mediums verunreinigt ist. Bevorzugt stammt der Dampf des Arbeitsmediums aus dem gleichen Kreisprozess wie der Arbeitsmedium-Dampf selbst, der zu Beginn des Expandierens in die Expansionseinrichtung zu leiten ist. Es ist dann energie- und bauteilsparend nur eine einzige Dampferzeugung nötig, wofür besonders effizient thermische Energie aus der Wärmequelle übertragen werden kann.
  • Erfindungsgemäß vorteilhaft ist die Expansionseinrichtung als eine Verdrängermaschine zum Durchleiten des Arbeitsmediums in mindestens einem sich beim Durchleiten vergrößernden Expansionsraum bzw. Volumenraum gestaltet. Dabei ist ein Einlass zum Einlassen des unter dem erhöhten Druck gesetzten Arbeitsmedium-Dampfes in den Expansionsraum vorgesehen. Der eingelassene Arbeitsmedium-Dampf verschiebt dann ein Bauteil, das den Expansionsraum begrenzt. Dadurch wird der Expansionsraum vergrößert und zugleich das Bauteil zum Verrichten von mechanischer Arbeit bewegt. Das Vergrößern des Expansionsraums bewirkt eine Expansion des Arbeitsmedium-Dampfes von dem erhöhten Druck auf den niedrigeren Druck.
  • Bei einer solchen Verdrängermaschine kann der Arbeitsmediums-Dampf durch den Einlass und der zusätzliche Dampf durch eine zwischen dem Einlass und dem Auslass positionierte Dampfzuführung in den Expansionsraum geführt werden. Dabei kann der Arbeitsmedium-Dampf beim Durchleiten durch den sich vergrößernden Expansionsraum expandieren und kann während des sich vergrößernden Expansionsraums mittels des zugeführten Dampfes zwischenerhitzt werden. Zusammen mit dem zugeführten Dampf kann der zwischenerhitzte Arbeitsmedium-Dampf in Richtung des Auslasses weiter expandieren.
  • Besonders zielgerichtet kann die Dampfzuführung bei einer solchen Verdrängermaschine mit zwei oder mehr Expansionsräumen gestaltet sein. Die Dampfzuführung kann in diesem Fall so gestaltet sein, dass zusätzlicher Dampf gezielt in den Expansionsraum zu leiten ist, wenn der Expansionsraum eine gewünschte Größe erreicht hat. Entsprechend dieser Größe befindet sich dann dort entsprechend expandierter und abgekühlter Arbeitsmedium-Dampf, der dann gezielt zu erwärmen ist. Der erwärmte Arbeitsmedium-Dampf kann dann im sich weiter vergrößernden Expansionsraum weiter expandieren, bis mit dem Expansionsraum ein Auslass erreicht ist, aus dem der Arbeitsmedium-Dampf und der zusätzliche Dampf austreten können. Dabei ist zumindest der Einlass für den Arbeitsmedium-Dampf räumlich so weit von der Dampfzuführung entfernt angeordnet, dass ein sich beim Einlass befindender Expansionsraum räumlich getrennt von einem sich bei der Dampfzuführung befindenden Expansionsraum ist. Bevorzugt ist der Auslass räumlich so weit von der Dampfzuführung entfernt angeordnet, dass sich ein beim Auslass befindender Expansionsraum räumlich getrennt von dem sich bei der Dampfzuführung befindenden Expansionsraum ist. Damit ist eine besonders zielgerichtete Temperaturerhöhung während des Expandierens in einer definierten Expansionszone möglich. Die definierte Expansionszone entspricht dabei der Größe des Expansionsraums an der Dampfzuführung.
  • Darüber hinaus ist erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise mittels der Einstelleinrichtung ein Gegendruck auf das Arbeitsmedium derart zu erzeugen, dass die Abdampftemperatur den definierten Abdampftemperaturwert oberhalb des dem niedrigeren Druck zugehörigen Sattdampftemperaturwerts aufweist. Ein Aufbau eines solchen Gegendrucks ist besonders energiesparend.
  • Mit dem derartigen Gegendruck ist beim Expandieren der niedrigere Druck zunächst nicht erreicht, sondern ein entsprechend des Gegendrucks erhöhter niedrigerer Druck. Dem erhöhten niedrigeren Druck ist ein entsprechend erhöhter Sattdampftemperaturwert des Arbeitsmediums zugehörig. Mittels des Gegendrucks ist der Arbeitsmedium-Dampf zunächst auf dem erhöhten niedrigeren Druck gehalten und weist dabei eine Abdampftemperatur auf, die diesem erhöhten Sattdampftemperaturwert entspricht. Bei einem weiteren Expandieren ist der entsprechend des Gegendrucks erhöhte niedrigere Druck dann auf den niedrigeren Druck restzuentspannen bzw. zu expandieren. Nach dem Restentspannen weist der Arbeitsmedium-Dampf eine Abdampftemperatur auf, die dem definierten Abdampftemperaturwert oberhalb des dem niedrigeren Druck zugehörigen Sattdampftemperaturwerts entspricht. Eine Kondensation des Arbeitsmedium-Dampfes ist über den gesamten Expansionsprozess hinweg sicher vermieden.
  • Dazu ist bevorzugt eine Expansionseinrichtung zum Expandieren des Arbeitsmediums von einem erhöhten Druck auf einen niedrigeren Druck vorgesehen, bei der der niedrigere Druck mittels eines zweistufigen Expansionsprozesses zu erreichen ist. Der erhöhte Druck ist dabei in einer ersten Expansionsstufe zunächst mittels des Erzeugens bzw. Aufbaus von Gegendruck auf einen ersten niedrigeren Druck zu expandieren. Danach ist der erste niedrigere Druck in einer zweiten Expansionsstufe auf einen zweiten niedrigeren Druck zu expandieren, wobei der zweite niedrigere Druck dem oben genannten niedrigeren Druck nach dem Expandieren entspricht.
  • Dabei können die erste und die zweite Expansionsstufe in einer einzigen Expansionseinrichtung ablaufen. Besonders bevorzugt sind die erste Expansionsstufe in einer ersten Expansionseinrichtung und die zweite Expansionsstufe getrennt davon in einer zweiten Expansionseinrichtung durchzuführen. Die erste Expansionseinrichtung ist dabei insbesondere mit einer Verdrängermaschine gestaltet und die zweite Expansionseinrichtung bautechnisch einfach als ein Leitungselement innerhalb einer das Arbeitsmedium führenden Leitung. Die erste und zweite Expansionseinrichtung stellen dann insgesamt die Expansionseinrichtung dar.
  • Ferner umfasst die Einstelleinrichtung erfindungsgemäß vorteilhaft zum Erzeugen des Gegendrucks auf das Arbeitsmedium ein Sperrelement, das insbesondere mit einem Ventil zum wahlweisen Öffnen und Verschließen einer das Arbeitsmedium führenden Leitung gestaltet ist. Mittels des Sperrelements kann ein Arbeitsmedium-Strom bzw. Arbeitsmedium-Fluss des im Kreisprozess geführten Arbeitsmediums bautechnisch besonders einfach und schnell abgesperrt werden. Nach einem solchen Absperren baut sich der gewünschte Gegendruck auf das Arbeitsmedium auf. Der Gegendruck kann mit kurzen Reaktionszeiten bei Bedarf wieder abgebaut werden, indem das Sperrelement mit einem Ventil gestaltet ist, das einfach wieder geöffnet werden kann.
  • Bevorzugt ist das Sperrelement dabei innerhalb der Expansionseinrichtung zwischen der ersten und zweiten Expansionseinrichtung angeordnet, womit dann der beschriebene zweistufige Expansionsprozess ermöglicht ist.
  • Zudem ist in erfindungsgemäß vorteilhafter Weise das Arbeitsmedium in einer Kreislaufrichtung geführt und in Kreislaufrichtung nach der Expansionseinrichtung ist eine Kondensationseinrichtung zum Kondensieren des expandierten Arbeitsmediums vorgesehen, wobei die Einstelleinrichtung ein Temperaturmesselement zum Messen einer Temperatur des Arbeitsmediums in Kreislaufrichtung nach dem Expandieren und vor dem Kondensieren und/oder ein Druckmesselement zum Messen des Druckes des Arbeitsmediums in Kreislaufrichtung nach dem Expandieren und vor dem Kondensieren umfasst. Mit einem solchen Temperaturmesselement und/oder Druckmesselement ist eine Regeleinrichtung geschaffen, mit der die Einstelleinrichtung in Abhängigkeit der gemessenen Temperatur und/oder des gemessenen Drucks zu regeln ist. Derart regelbar, kann mit der Einstelleinrichtung die Abdampftemperatur bedarfsgerecht und zuverlässig immer auf den gewünschten definierten Abdampftemperaturwert eingestellt werden.
  • Dabei misst das Temperaturmesselement insbesondere die Abdampftemperatur des Arbeitsmediums nach dem Expandieren. Die Abdampftemperatur ist auch von der Temperatur eines Eintrittsdampfes des Arbeitsmediums bei Eintritt in die Expansionseinrichtung abhängig. Zudem ist die Temperatur des Arbeitsmediums vor dem Kondensieren bzw. der Kondensationstemperaturwert bestimmbar. Der Kondensationstemperaturwert entspricht dabei insbesondere dem dem niedrigeren Druck zugehörigen Sattdampftemperaturwert. Mit dem Druckmesselement kann insbesondere kurz vor dem Kondensieren ein aktuell gültiger Sattdampfdruckwert bzw. Kondensationsdruckwert des Arbeitsmediums gemessen werden, der abhängig von einer Kühlkapazität der Kondensationseinrichtung ist.
  • Ferner ist die Erfindung auf ein Verfahren zum Umwandeln von thermischer Energie aus einer Wärmequelle in mechanische Energie mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses gerichtet, mit einem Arbeitsmedium, das in dem Kreisprozess geführt und dabei einem wechselnden Druck ausgesetzt wird, wobei dem jeweiligen Druck ein Sattdampftemperaturwert des Arbeitsmediums zugehörig ist, sowie einem Schritt des Expandierens des Arbeitsmediums von einem erhöhten Druck auf einen niedrigeren Druck, wobei das Arbeitsmedium nach dem Expandieren auf den niedrigeren Druck eine Abdampftemperatur aufweist. Dabei wird die Abdampftemperatur auf einen definierten Abdampftemperaturwert oberhalb des dem niedrigeren Druck zugehörigen Sattdampftemperaturwerts eingestellt.
  • Die Vorteile eines solchen erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den bereits bei der Beschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellten Vorteilen.
    • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
    • Fig. 1
    ein vereinfachtes Prozessschema einer Vorrichtung zum Umwandeln von thermischer Energie gemäß dem Stand der Technik,
    Fig. 2
    ein schematisches Druck(log)-Enthalpie-Diagramm des thermodynamischen Kreisprozesses gemäß Fig. 1,
    Fig. 3
    eine Dampfkurve eines im Kreisprozess geführten Arbeitsmediums,
    Fig. 4
    das Detail IV gemäß Fig. 1 eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
    Fig. 5
    ein schematisches Druck(log)-Enthalpie-Diagramm des thermodynamischen Kreisprozesses gemäß Fig. 4,
    Fig. 6
    einen Querschnitt einer Verdrängermaschine der Vorrichtung gemäß Fig. 4,
    Fig. 7
    das Detail IV gemäß Fig. 1 eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
    Fig. 8
    ein schematisches Druck(log)-Enthalpie-Diagramm des thermodynamischen Kreisprozesses Fig. 7.
    Detaillierte Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • In den Fig. sind eine Vorrichtung 10 und ein zugehöriges Verfahren 12 zum Umwandeln von thermischer Energie aus einer Wärmequelle 14 dargestellt. Die Vorrichtung 10 bildet ein geschlossenes System einer Prozessanlage, in der ein thermodynamischer Kreisprozess 16 mittels eines im Kreisprozess 16 geführten Arbeitsmediums durchzuführen ist.
  • Der dargestellte thermodynamische Kreisprozess 16 ist ein modifizierter Organic-Rankine-Cycle-Process (ORC-Prozess), bei dem das Arbeitsmedium ein organisches Arbeitsmedium ist. Vorliegend ist das Arbeitsmedium mit Ammoniak gestaltet, bevorzugt mit wasserfreiem Ammoniak (NH3, R 717) in einer Konzentration von über 99, 6 Massenprozent. Mit einem solch nahezu reinen Ammoniak können die physikalischen und thermodynamischen Eigenschaften von Ammoniak ohne störende Einflüsse von anderen Stoffen ausgenutzt werden. So hat flüssiges Ammoniak eine hohe Verdampfungsenthalpie, womit relativ viel Energie aufgewendet werden muss, um Ammoniak von seinem flüssigen in seinen gasförmigen Aggregatzustand zu überführen. Es kann also entsprechend viel Energie im gasförmigen Ammoniak gespeichert werden und dann beim Expandieren in mechanische Energie umgesetzt werden.
  • Als Wärmequelle 14 dienen Niedertemperatur-Wärmequellen. Dabei kann die Wärmequelle 14 eine einzige Wärmequelle 14 oder mit zwei verschiedenen Wärmequellen 14 und 17 mit gestaltet sein. In den dargestellten Ausführungsbeispielen werden zwei verschiedene Wärmequellen energetisch verwertet, bei denen die Wärmequelle 14 eine niedrigere Temperatur als die Wärmequelle 17 aufweist. Dabei ist die Wärmequelle 14 eine Motorabwärme und die Wärmequelle 17 eine Abgasabwärme eines Verbrennungsmotors eines Blockheizkraftwerks.
  • In einem zum Kreisprozess 16 gehörenden Sammelbehälter 18 wird das Arbeitsmedium in Form eines druckverflüssigten Gases bereitgestellt. Dabei steht das Arbeitsmedium unter einem Druck, der als niedrigerer Druck 20 ein unteres Druckniveau des thermodynamischen Kreisprozesses 16 darstellt. Ausgehend von dem Sammelbehälter 18 führt eine Leitung 22 das Arbeitsmedium in einer Kreislaufrichtung 24 zu einer Druckerhöhungseinrichtung 26. Mit der Druckerhöhungseinrichtung 26 ist der Druck, dem das Arbeitsmedium ausgesetzt ist, von dem niedrigeren Druck 20 auf einen Druck zu erhöhen, der als erhöhter Druck 28 ein oberes Druckniveau des Kreisprozesses 16 darstellt.
  • In Kreislaufrichtung 24 anschließend wird das flüssige Arbeitsmedium von der Druckerhöhungseinrichtung 26 durch die Leitung 22 zu einer Wärmeübertragungseinrichtung 30 gepumpt. Die Wärmeübertragungseinrichtung 30 umfasst einen ersten Wärmeübertrager 32 und einen in Reihe geschalteten zweiten Wärmeübertrager 34. Der erste Wärmeübertrager 32 ist wärmeübertragend mittels eines durch eine Leitung 36 geführtes Übertragungsmedium mit der Wärmequelle 14 gekoppelt. Dementsprechend ist der zweite Wärmeübertrager 34 mittels eines durch eine Leitung 38 geführtes Übertragungsmedium mit der Wärmequelle 17 gekoppelt.
  • Zwischen den beiden Wärmeübertragern 32 und 34 ist ein Abscheider 40 mit einem unteren Raumbereich 42 und einem oberen Raumbereich 44 angeordnet. In den oberen Raumbereich 44 ist das flüssige Arbeitsmedium mittels der Leitung 22 geführt. Das flüssige Arbeitsmedium trennt sich von gegebenenfalls vorhandenem gasförmigem Arbeitsmedium ab und sinkt in den unteren Raumbereich 42. Von dort führt eine Leitung 46 das derart abgetrennte flüssige Arbeitsmedium in den ersten Wärmeübertrager 32, der als Vorerwärmer und Verdampfer dient. Dort wird das flüssige Arbeitsmedium mittels Übertragens von thermischer Energie aus der ersten Wärmequelle 14 vorerwärmt und größtenteils verdampft. Ein derart erzeugter Arbeitsmedium-Dampf ist ein Nassdampf. Dies bedeutet, dass noch kleine Tropfen und fein verteiltes flüssiges Arbeitsmedium als Kondensatanteil im gasförmigen Arbeitsmedium vorhanden sind. Der Nassdampf ist aus dem ersten Wärmeübertrager 32 durch eine Leitung 48 in den oberen Raumbereich 44 des Abscheiders 40 geführt. Dabei sinkt der Kondensatanteil in den unteren Raumbereich 42 und sammelt sich dort als flüssiges Arbeitsmedium, während im oberen Raumbereich 44 nur gasförmiges Arbeitsmedium verbleibt. Es kann also ein besonders trockenes gasförmiges Arbeitsmedium erzeugt werden. Das flüssige Arbeitsmedium gelangt aus dem unteren Raumbereich 42 durch die Leitung 46 wieder zurück in den ersten Wärmeübertrager 32 zum erneuten Erwärmen.
  • Mit dem Abscheider 40, den in dessen oberen Raumbereich 44 führenden Leitungen 22 und 48 sowie der aus dessen unteren Raumbereich 42 führenden Leitung 46 ist ein Verdampfen gemäß eines Thermo-Siphon-Prinzips ermöglicht. Dieses Prinzip beruht darauf, dass sich beim Verdampfen im ersten Wärmeübertrager 32 die Dichte des dort befindlichen Arbeitsmediums aufgrund des gebildeten Nassdampfs verringert. Damit drängt der Nassdampf durch die Leitung 48 in den Abscheider 40. Ferner fließt immer genau so viel flüssiges Arbeitsmedium aus dem unteren Raumbereich 42 des Abscheiders 40 durch die Leitung 46 in den Wärmeübertrager 32 nach, das gerade zum Verdampfen benötigt wird. Im Abscheider 40 ist ein nicht dargestellter Niveauregler vorgesehen, mit dem die Druckerhöhungseinrichtung 26 derart zu regeln ist, dass nur so viel Arbeitsmedium zum ersten Wärmeübertragers 32 gepumpt wird, das auch verdampft werden kann.
  • Aus dem Abscheider 40 ist das gasförmige Arbeitsmedium aus dem oberen Raumbereich 44 durch eine Leitung 50 in den zweiten Wärmeübertrager 34 geführt. Der zweite Wärmeübertrager 34 dient als Überhitzer, mit dem das gasförmige Arbeitsmedium beim Übertragen von thermischer Energie aus der Wärmequelle 17 zu überhitzen ist. Der überhitzte Arbeitsmedium-Dampf ist dann aus dem zweiten Wärmeübertrager 34 durch eine Leitung 52 mittels eines Eintrittsventils 54 in eine Expansionseinrichtung 56 geführt.
  • Mit der Expansionseinrichtung 56 ist der überhitzte Arbeitsmedium-Dampf von dem erhöhten Druck 28 auf den niedrigeren Druck 20 zu expandieren, wobei zugleich die Temperatur des Arbeitsmediums sinkt. Die dabei freiwerdende Energie wird als mechanische Energie auf die Expansionseinrichtung 56 übertragen, die als Antriebsaggregat für einen an die Expansionseinrichtung 56 gekoppelten Generator 58 zum Erzeugen von elektrischer Energie dient.
  • Vorliegend ist eine zur Expansionseinrichtung 56 parallel geschaltete weitere Expansionseinrichtung vorgesehen, in die mittels eines zugehörigen weiteren Eintrittsventils der komprimierte und überhitzte Arbeitsmedium-Dampf geführt ist. Zur besseren Übersicht ist die weitere Expansionseinrichtung mit ihren zugehörigen Bauteilen mit den gleichen Bezugszeichen wie die Expansionseinrichtung 56 benannt. Mit einer solchen Parallelschaltung der Expansionseinrichtungen 56 ist ein über die Zeit hinweg besonders gleichmäßiges Expandieren des überhitzten Arbeitsmedium-Dampfes ohne große Pulsationen möglich. Sofern erforderlich, kann zudem eine größere Menge an Arbeitsmedium-Dampf expandiert werden. Damit kann insgesamt eine gleichmäßige und hohe Leistung aus dem Kreisprozess 16 abgenommen werden. Zur Verbesserung dieses Effekts können auch mehr als zwei parallel geschaltete Expansionseinrichtungen 56 vorgesehen sein.
  • Der expandierte Arbeitsmedium-Dampf ist in Kreislaufrichtung 24 nach der Expansionseinrichtung 56 durch eine Leitung bzw. Abdampfleitung 60 aus der Expansionseinrichtung 56 herausgeführt und durch eine Kondensationseinrichtung 62 geleitet. Mit der Kondensationseinrichtung 62 wird der expandierte Arbeitsmedium-Dampf abgekühlt und kondensiert. Das kondensierte Arbeitsmedium ist in den Sammelbehälter 18 geleitet, der in der Leitung 22 in Kreislaufrichtung 24 nach der Kondensationseinrichtung 62 angeordnet ist. Mit dem Kondensieren ist der thermodynamische Kreisprozess 16 geschlossen und kann je nach Bedarf entsprechend oft wiederholt werden.
  • Des Weiteren verfügt die Vorrichtung 10 über einen Ölversorgungskreislauf 64 mit jeweils einer Ölzuführleitung 66, durch die ein Öl mittels jeweils eines zugehörigen Öleintrittsventils 68 in die jeweils zugehörige Expansionseinrichtung 56 zu führen ist. Das Öl dient zum Abdichten und Schmieren von Bauteilen der Expansionseinrichtung 56. Während des Expandierens des Arbeitsmedium-Dampfes kann das Öl in der Expansionseinrichtung 56 in den Arbeitsmedium-Dampf gelangen. Deswegen ist der expandierte Arbeitsmedium-Dampf zusammen mit dem Öl aus jeder Expansionseinrichtung 56 durch die zugehörige Abdampfleitung 60 in einen jeweils zugehörigen Ölabscheider 70 geführt. Mit dem Ölabscheider 70 ist das Öl aus dem expandierten Arbeitsmedium-Dampf abzuscheiden. Dazu ist im Ölabscheider 70 oben angeordnet ein Trennelement 71 als mechanischer Ölabscheider gestaltet. Das Trennelement 71 trennt das Öl als Flüssigkeit von dem expandierten Arbeitsmedium-Dampf als Gas mechanisch und aufgrund unterschiedlicher Dichten von Flüssigkeit und Gas ab.
  • Der derart gereinigte expandierte Arbeitsmedium-Dampf ist aus dem Ölabscheider 70 durch die Abdampfleitung 60 weiter im Kreisprozess 16 zur Kondensationseinrichtung 62 geführt.
  • Das abgeschiedene Öl ist aus jedem Ölabscheider 70 durch eine zugehörige Ölabfuhrleitung 72 in einen Ölsammelbehälter 74 geleitet. Dabei kann das abgeschiedene Öl einen Anteil an flüssigem Arbeitsmedium enthalten, das sich beim Expandieren des Arbeitsmedium-Dampfes in herkömmlicher Weise gebildet hat. Zum Entfernen dieses Anteils an flüssigem Arbeitsmedium ist im Ölsammelbehälter 74 ein Ölheizer 76 vorgesehen. Mit dem Ölheizer 76 ist das abgeschiedene Öl so lange und so weit zu erhitzen, bis der Anteil an flüssigem Arbeitsmedium nahezu vollständig aus dem Öl ausgedampft bzw. ausgetrieben ist. Ein dabei entstehender Arbeitsmedium-Dampf ist mittels einer Dampfleitung 78 aus dem Ölsammelbehälter 74 in Kreislaufrichtung 24 zwischen dem Ölabscheider 70 und der Kondensationseinrichtung 62 zurück in die Abdampfleitung 60 und damit in den Kreisprozess 16 geführt.
  • In der Ölzuführleitung 66 ist ferner eine Ölpumpe 80 angeordnet, mit der das abgeschiedene und von flüssigem Arbeitsmedium gereinigte Öl durch die Ölzuführleitung 66 erneut in die Expansionseinrichtung 56 geführt ist. Zudem umfasst der Ölheizer 76 eine ein Heizmedium führende Heizkreislaufleitung 82, die mit der zweiten Wärmequelle 17 wärmeübertragend gekoppelt ist.
  • Fig. 2 zeigt ein schematisches Druck(log)-Enthalpie-Diagramm des thermodynamischen Kreisprozesses 16 des Verfahrens 12, das mittels der Vorrichtung 10 gemäß Fig. 1 durchführbar ist. Dabei ist an der Ordinatenachse der Logarithmus des Druckes 83 und an der Abszissenachse die Enthalpie 84 aufgetragen. Die dargestellte bogenförmige Linie gibt eine Phasengrenzlinie 85 des Arbeitsmediums wieder. So lange die Phasengrenzlinie 85 steigt, handelt es sich dabei um die Siedelinie, an der ein Übergang von gesättigtem flüssigem Arbeitsmedium in Nassdampf erfolgt. Fällt die Phasengrenzlinie 85, so stellt sie die Taulinie dar, die einen Übergang des Nassdampfes zu einem gesättigten Arbeitsmedium-Dampf markiert. Bei dem derartigen Übergang wird der Dampf auch als Sattdampf bezeichnet. Eine von der Phasengrenzlinie 85 und der Abszissenachse eingeschlossene Fläche ist ein Nassdampfgebiet 86 des Arbeitsmediums, in dem zugleich Arbeitsmedium-Dampf als gasförmige Phase und flüssiges Arbeitsmedium als flüssige Phase vorliegen.
  • Ausgehend von dem unter dem niedrigeren Druck 18 stehenden flüssigen Arbeitsmedium wird in einem Verfahrensschritt bzw. Schritt 88 des Druckerhöhens das Arbeitsmedium mittels der Druckerhöhungseinrichtung 26 unter den erhöhten Druck 28 gesetzt. Ammoniak wird von einem niedrigeren Druck 18 von etwa 8,4 bar und einer Temperatur von etwa 23 °C unter einen erhöhten Druck 28 von etwa 37 bar und eine Temperatur von etwa 30 °C gesetzt.
  • Dabei sind alle hier angegebenen Druckwerte als absolute Druckwerte zu verstehen.
  • Mit dem ersten Wärmeübertrager 32 wird in einem Schritt 90 des Vorerwärmens das unter dem erhöhten Druck 28 stehende Arbeitsmedium auf einen dem erhöhten Druck 28 zugehörigen Verdampfungstemperaturwert isobar erwärmt. Bei Ammoniak liegt dieser Wert bei etwa 76 °C. Nachfolgend wird in einem Schritt 92 des Verdampfens das noch flüssige, auf den Verdampfungstemperaturwert vorerwärmte Arbeitsmedium isobar verdampft. Während des Schrittes 92 wird dem Arbeitsmedium der Hauptanteil der thermischen Energie zugeführt. Beim Verdampfen bleibt die Temperatur des Arbeitsmediums gleich.
  • Nachfolgend wird mittels des zweiten Wärmeübertragers 34 in einem Schritt 94 des Überhitzens der im Schritt 92 erzeugte Arbeitsmedium-Dampf auf eine Endtemperatur isobar überhitzt. Die Endtemperatur beträgt bei Ammoniak etwa 120 °C.
  • Der derart überhitzte Arbeitsmedium-Dampf wird als überhitztes Ammoniakgas in einem Schritt 96 des Expandierens mittels den zwei parallel geschalteten Expansionseinrichtungen 56 adiabatisch expandiert. Adiabatisch bzw. adiabat bedeutet, dass bei der Expansion keine Wärme mit der Umgebung ausgetauscht wird. Bei der Expansion findet die eigentliche Umsetzung der thermischen Energie in mechanische Energie statt. Dabei weist das in die Expansionseinrichtung 56 eintretende Arbeitsmedium den erhöhten Druck 28 als Eintrittsdruck und die Temperatur des überhitzten Arbeitsmedium-Dampfes als Eintrittstemperatur auf. Das aus der Expansionseinrichtung 56 austretende Arbeitsmedium weist dann den niedrigeren Druck 20 als Abdampfdruck und eine Abdampftemperatur auf, die niedriger ist als die Eintrittstemperatur. Eintretendes Ammoniak hat den erhöhten Druck 28 von etwa 37 bar und die Eintrittstemperatur von etwa 120 °C und austretendes Ammoniak hat den niedrigeren Druck 20 von etwa 8,4 bar und die Abdampftemperatur von etwa 23 °C. Dabei ist im austretenden Arbeitsmedium-Dampf ein flüssiger Anteil im Abdampf enthalten, da sowohl die Eintrittstemperatur als auch die Abdampftemperatur gewissen Toleranzen unterworfen sind. Bereits bei einer etwas tieferen Eintrittstemperatur bildet sich ein Kondensat im Abdampf. Die dann erreichte Abdampftemperatur, also der Endpunkt des Schrittes 96 des Expandierens, befindet sich im Nassdampfgebiet 86.
  • Anschließend wird das entspannte und aus der Expansionseinrichtung 56 austretende Arbeitsmedium in einem Schritt 98 des Kondensierens mittels der Kondensationseinrichtung 62 isobar kondensiert und erreicht damit wieder seinen Ausgangszustand im Kreisprozess 16.
  • Fig. 3 zeigt eine Sättigungsdampfdruckkurve bzw. Dampfdrucklinie bzw. Dampfkurve 100 des im Kreisprozess 16 geführten Arbeitsmediums, vorliegend die Dampfkurve 100 von Ammoniak. Dabei ist an der Ordinatenachse der Druck und an der Abszissenachse die Temperatur aufgetragen. Die gekrümmte Linie gibt die Dampfkurve 100 des Arbeitsmediums wieder und ist die Phasengrenzlinie zwischen flüssigem und gasförmigem Arbeitsmedium. Dementsprechend kann an der Dampfkurve 100 abgelesen werden, welcher Sattdampftemperaturwert einem jeweiligen Druck des Arbeitsmediums zugehörig ist, bei dem gasförmiges Arbeitsmedium zu kondensieren beginnt. Zum niedrigeren Druck 20 gehört der Sattdampftemperaturwert 102, der für Ammoniak einen Wert von 23 °C bei einem niedrigeren Druck 20 von 8,4 bar hat.
  • Fig. 4 und Fig. 7 zeigen einen Ausschnitt der Vorrichtung 10, bei der im Unterschied zur Vorrichtung 12 gemäß Fig. 1 eine Einstelleinrichtung 104 zum Einstellen der Abdampftemperatur des Arbeitsmediums nach dem Schritt 96 des Expandierens vorgesehen ist. Mittels der Einstelleinrichtung 104 wird die Abdampftemperatur auf einen definierten Abdampftemperaturwert 106 oberhalb des dem niedrigeren Druck 20 zugehörigen Sattdampftemperaturwerts 102 eingestellt. Der definierte Abdampftemperaturwert 106 liegt dabei zwischen 4 K und 8 K oberhalb des dem niedrigeren Druck 20 zugehörigen Sattdampftemperaturwerts 102.
  • Gemäß Fig. 4 umfasst die Einstelleinrichtung 104 eine Dampfzuführung 108 zum Zuführen von Dampf während des Schrittes 96 des Expandierens in jede Expansionseinrichtung 56. Das derartige Zuführen von Dampf wird auch als Zwischeneinspritzung bezeichnet. Mit einer solchen Dampfzuführung 108 kann die Temperatur des Arbeitsmedium-Dampfes beim Expandieren derart erhöht werden, dass die Abdampftemperatur des Arbeitsmediums nach dem Schritt 96 den definierten Abdampftemperaturwert 106 aufweist.
  • Dazu ist die Dampfzuführung 108 mit jeweils einer Dampfzuführleitung 110 und einem darin angeordneten zusätzlichen Eintrittsventil 112 gestaltet, die in Kreislaufrichtung 24 nach dem Eintrittsventil 54 in die zugehörige Expansionseinrichtung 56 führen. Zudem ist die Dampfzuführleitung 110 fluidleitend mit der Leitung 52 verbunden. Derart verbunden, kann der mittels des zweiten Wärmeübertragers 34 überhitzte Arbeitsmedium-Dampf aus der Leitung 52 durch das zusätzliche Eintrittsventil 112 in die Expansionseinrichtung 56 geleitet werden. Dabei wird der überhitzte Arbeitsmedium-Dampf in einem fortgeschrittenen Stadium, insbesondere gegen Ende des Schrittes 96 des Expandierens in die Expansionseinrichtung 56 geleitet.
  • Ferner umfasst die Einstelleinrichtung 104 gemäß Fig. 4 jeweils ein zu jeder Expansionseinrichtung 56 gehöriges Temperaturmesselement 114, das in Kreislaufrichtung 24 nach dem Expandieren kurz nach jedem Ölabscheider 70 angeordnet ist. Derart angeordnet, ist mittels des Temperaturmesselements 114 die Abdampftemperatur des Arbeitsmediums bestimmbar. Zudem sind ein in Kreislaufrichtung 24 kurz vor der Kondensationseinrichtung 62 angeordnetes Temperaturmesselement 116 und ein kurz davor angeordnetes Druckmesselement 118 vorgesehen.
  • Das der Kondensationseinrichtung 62 zugehörige Druckmesselement 118 und Temperaturmesselement 116 sind mit jeweils dem zu einer Expansionseinrichtung 56 gehörigen Temperaturmesselement 114 gekoppelt. Dazu sind die Messwerte in jeweils eine zu jeder Expansionseinrichtung 56 gehörige Regeleinrichtung 120 übertragbar. Die Regeleinrichtung 120 öffnet und schließt das zusätzliche Eintrittsventil 112 dann zum Zuführen von Dampf in die Expansionseinrichtung 56 in Abhängigkeit des Messergebnisses.
  • Dazu wird mit dem Druckmesselement 118 jeweils ein im Kreisprozess 16 aktuell gültiger Druckwert des niedrigeren Drucks 20 kurz vor der Kondensationseinrichtung 62 gemessen. Der niedrigere Druck 20 kann je nach Eintrittsdruckwert des erhöhten Drucks 28 in die Expansionseinrichtung 56 und je nach Kondensationstemperatur der Kondensationseinrichtung 62 variieren.
  • Entsprechend des gemessenen Druckwerts des niedrigeren Drucks 20 ergibt sich gemäß der in der Regeleinrichtung 120 hinterlegten Dampfkurve 100 der zugehörige aktuell gültige Sattdampftemperaturwert 102. Je nach gültigem Sattdampftemperaturwert 102 wird mittels der Regeleinrichtung 120 das zusätzliche Eintrittsventil 112 so lange und/oder so weit geöffnet, bis mit dem Temperaturmesselement 114 der definierte Abdampftemperaturwert 106 gemessen wird. Je nach Zeitdauer und Öffnungsweite des Eintrittsventils 112 wird damit eine entsprechende Menge an zusätzlichem Dampf zugeführt, bis der definierte Abdampftemperaturwert 106 erreicht und insbesondere konstant gehalten ist.
  • Alternativ oder zusätzlich kann mit dem Temperaturmesselement 116 der Temperaturwert des Arbeitsmediums vor der Kondensationseinrichtung 62 bestimmt werden. Dieser gemessene Temperaturwert entspricht einem aktuell gültigen Sattdampftemperaturwert 102, der von einer Kühlkapazität der Kondensationseinrichtung 62 abhängig ist. Die Kühlkapazität kann entsprechend der Temperatur des Kühlmittels variieren. Insbesondere wenn das Kühlmittel bautechnisch besonders einfach und kostengünstig Luft aus der Umgebung ist, ist die Kühlkapazität direkt von der herrschenden Außentemperatur abhängig. Je nach gemessenem, aktuell gültigem Sattdampftemperaturwert 102 wird mittels der Regeleinrichtung 120 das zusätzliche Eintrittsventil 112 so lange und/oder so weit geöffnet, bis mit dem Temperaturmesselement 114 der definierte Abdampftemperaturwert 106 gemessen wird.
  • In Abhängigkeit des gemessenen, aktuell gültigen Sattdampftemperaturwerts 102 ist gemäß der Dampfkurve 100 der zugehörige Sattdampfdruckwert bestimmbar. Dieser Sattdampfdruckwert entspricht dem geltenden niedrigeren Druck 20.
  • In Fig. 5 sind im Unterschied zum Diagramm gemäß Fig. 2 zusätzlich Linien eingetragen, die den Isothermen entsprechen, also Linien gleicher Temperatur. Dabei bezeichnet 122 die 20 °C-Isotherme 122 und 124 die 30 °C-Isotherme 124. Zudem ist entlang des Schrittes 96 erkennbar, wie sich die Temperatur des Arbeitsmediums beim Zuführen von überhitztem Arbeitsmedium-Dampf gegen Ende des Expandierens mittels der Dampfzuführung 108 erhöht. Bei Erreichen des niedrigeren Drucks 20 hat das Arbeitsmedium den definierten Abdampftemperaturwert 106 oberhalb des dem niedrigeren Druck 20 zugehörigen Sattdampftemperaturwerts 102. Damit befindet sich der Endpunkt des Schrittes 96 relativ weit außerhalb des Nassdampfgebiets 86, sodass ein Kondensat im Abdampf zuverlässig vermieden ist. Bei Ammoniak weist der definierte Abdampftemperaturwert 106 etwa 28 °C auf und liegt damit etwa 5 K oberhalb des Sattdampftemperaturwerts 102 von etwa 23 C bei dem niedrigeren Druck 20 von etwa 8,4 bar.
  • Fig. 6 zeigt die Expansionseinrichtung 56, die in der Vorrichtung 10 gemäß Fig. 4 verwendet und mit einer Drehschiebermaschine als Verdrängermaschine gestaltet ist. Die Drehschiebermaschine ist ein Umlaufkolbenexpander, der entgegengesetzt eines Umlaufkolbenverdichters arbeitet und vorliegend ein Flügelzellenexpander ist.
  • Ein solcher Flügelzellenexpander weist ein Ringgehäuse 126 mit einem Einlass 128 und einem Auslass 130 auf. Der Einlass 128 dient zum Einlassen des unter dem erhöhten Druck 28 stehenden Arbeitsmedium-Dampfes und der Auslass 130 zum Auslassen des expandierten Arbeitsmedium-Dampfes. Dabei ist jede Strömungsrichtung des Arbeitsmedium-Dampfes mit einem Strömungspfeil angedeutet. Das Ringgehäuse 126 ist mit einem zylinderförmigen Hohlzylinder gebildet, dessen innere Mantelfläche eine innere Ringwand 132 bildet. Im Ringgehäuse 126 ist exzentrisch zur Achse des Hohlzylinders ein Drehkolben 134 zentrisch um eine Welle 136 rotierbar gelagert. Der Drehkolben 134 umfasst entlang seiner Längserstreckung acht Nuten 138, in denen jeweils ein zugehöriger Schieber 140 radial hin und her verschiebbar gelagert ist.
  • Zum Begrenzen des Ringgehäuses 126 sind in axialer Richtung zwei gegenüberliegende, nicht dargestellte Begrenzungsflächen vorgesehen. Die beiden Begrenzungsflächen grenzen zusammen mit dem Drehkolben 134, der inneren Ringwand 132 und den acht Schiebern 140 acht Zellen 142 mit jeweils einem variablen Volumen 144 ab.
  • Das einzelne variable Volumen 144 ist dadurch gebildet, dass der jeweilige Schieber 140 im Laufe einer Rotation durch wirkende Fliehkräfte abdichtend gegen die Ringwand 132 gedrückt wird. Dadurch, dass der Drehkolben 134 im Ringgehäuse 126 exzentrisch gelagert ist, variiert während der Rotationsbewegung der Abstand zwischen dem Drehkolben 134 und der Ringwand 132. Deswegen wird der jeweilige Schieber 140 beim Drehen in der zugehörigen Nut 138 hin und her geschoben. Bei einem sich vergrößernden Abstand wird der Schieber 140 aus der zugehörigen Nut 138 ausgeschoben, bis das Maximum des Abstands und damit auch das Volumenmaximum des Volumens 144 erreicht ist. Daran anschließend verkleinert sich der Abstand wieder und der Schieber 140 wird beim Entlanggleiten an der Ringwand 132 sozusagen von der Ringwand 132 in die zugehörige Nut 138 eingeschoben, bis das Minimum des Abstands und damit auch das Volumenminimum des Volumens 144 erreicht ist.
  • Das variable Volumen 144 nimmt während der Rotationsbewegung vom Einlass 128 bis zum Auslass 130 zu, sodass beim Durchleiten des von unter dem erhöhten Druck 28 stehenden Arbeitsmedium-Dampfes dieser Arbeitsmedium-Dampf expandiert wird. Beim Expandieren drückt der Arbeitsmedium-Dampf in Umlaufrichtung gegen jeweils einen Schieber 140, sodass die Rotationsbewegung in Gang gesetzt und gehalten wird. Damit wird die Welle 136 angetrieben, die ihrerseits den Generator 58 zum Erzeugen von elektrischem Strom antreibt.
  • Das variable Volumen 144 jeder Zelle 142 ist dabei in seiner Größe von einem der Rotationsbewegung zugehörigen Drehwinkel abhängig, der in einzelne aufeinanderfolgende Drehwinkelzonen eingeteilt werden kann. So weist das Volumen 144 in einer Drehwinkelzone 146 sein Volumenminimum auf. Am Einlass 128 nimmt das Volumen 144 in einer Drehwinkelzone 148 während des Einströmens des verdichteten Arbeitsmedium-Dampfes langsam zu und wird in der Drehwinkelzone 150 bis zu seinem Volumenmaximum entspannt. Beim Entspannen sinkt die Temperatur des Arbeitsmedium-Dampfes. Vor Erreichen des Volumenmaximums wird durch die Dampfzuführleitung 110 hindurch mittels der Dampfzuführung 108 überhitzter Arbeitsmedium-Dampf in jede Zelle 142 zugeführt bzw. zwischeneingespritzt. Dank des zwischeneingespritzten Arbeitsmedium-Dampfes wird die Temperatur des sich entspannenden Arbeitsmedium-Dampfes so weit angehoben, dass die Abdampftemperatur des durch den Auslass 130 austretenden Arbeitsmedium-Dampfes den definierten Abdampftemperaturwert 106 aufweist. Der derart zwischenerhitzte und am Volumenmaximum entspannte Arbeitsmedium-Dampf strömt anschließend in einer Drehwinkelzone 152 bis auf ein kleines Restvolumen aus dem Auslass 130 aus. Der durch den Auslass 130 austretende Arbeitsmedium-Dampf jeder Zelle 142 ist dabei der durch den Einlass 128 eingelassene Arbeitsmedium-Dampf zusammen mit dem zwischeneingespritzten Arbeitsmedium-Dampf. Das Restvolumen verbleibt in der jeweiligen Zelle 142 und wird über die Drehwinkelzone 146 verdichtet bis am Einlass 128 erneut komprimierter Arbeitsmedium-Dampf einströmt. Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch.
  • Das Expansionsverhältnis, das heißt das Verhältnis zwischen dem Volumen 144 am Einlass 128 und dem Volumen 144 am Auslass 130 ist auf 1 zu 3 bis 1 zu 4 eingestellt und damit für das Arbeitsmedium Ammoniak speziell angepasst.
  • Zum Abdichten und Schmieren der zwischen der jeweiligen Nut 138 und des zugehörigen Schiebers 140 auftretenden radialen und axialen Schieberspalten ist die Ölzuführleitung 66 zum Zuführen von Öl vorgesehen (Fig. 4). Mit dem Öl ist speziell auch die Lauffläche des Schiebers 140 entlang der Ringwand 132 abgedichtet und geschmiert. Das Öl vermischt sich beim Expandieren des Arbeitsmedium-Dampfes wie bereits beschrieben mit dem Arbeitsmedium-Dampf und ist durch die Abdampfleitung 60 durch den Ölabscheider 70 aus der Expansionseinrichtung 56 wieder abzuführen. Im Ölabscheider 70 scheidet sich das Öl wieder um Arbeitsmedium-Dampf ab. Dadurch, dass im abgeschiedenen Öl mittels der Vorrichtungen 10 gemäß Fig. 4 und Fig. 7 ein Anteil an flüssigem Arbeitsmedium zuverlässig vermieden wird, kann der ansonsten erforderliche Ölheizer 76 gemäß Fig. 1 kosten- und energiesparend entfallen.
  • Bei der Vorrichtung 10 gemäß Fig. 7 ist mittels der Einstelleinrichtung 104 ein Gegendruck auf das Arbeitsmedium derart zu erzeugen, dass die Abdampftemperatur des expandierten Arbeitsmediums den definierten Abdampftemperaturwert 106 oberhalb des dem niedrigeren Druck 20 zugehörigen Sattdampftemperaturwerts 102 aufweist. Dazu ist ein Ventil bzw. Abdampfregelventil 154 als Sperrelement 156 vorgesehen, mit dem die Abdampfleitung 60 abgesperrt werden kann. Derart abgesperrt, wird ein Abbau von Druck des Arbeitsmediums in Kreislaufrichtung 24 verhindert. Das Arbeitsmedium wird in der Abdampfleitung 60 entgegen der Kreislaufrichtung 24 bzw. der Strömungsrichtung angestaut, wodurch der gewünschte Gegendruck erzeugt werden kann. Mit einem Öffnen des Abdampfregelventils 154 kann der Gegendruck bei Bedarf wieder abgebaut werden.
  • Zum Regeln des Abdampfregelventils 154 umfasst die Einstelleinrichtung 104 der Vorrichtung 10 gemäß Fig. 7 das Temperaturmesselement 114 nach dem Expandieren in Kreislaufrichtung 24 kurz vor dem Abdampfregelventil 154. Nach dem Abdampfregelventil 154 und kurz vor der Kondensationseinrichtung 62 ist das Temperaturmesselement 116 angeordnet, mit dem dort der aktuell gültige Sattdampftemperaturwert 102 des Arbeitsmediums, wie zu Fig. 4 beschrieben, bestimmbar ist. Zudem ist das Druckmesselement 118 in Kreislaufrichtung 24 nach dem Abdampfregelventil 154 und kurz vor der Kondensationseinrichtung 62 vorgesehen. Mit dem Druckmesselement 118 kann jeweils ein im Kreisprozess 16 aktuell gültiger Druckwert des niedrigeren Drucks 20 kurz vor der Kondensationseinrichtung 62 entsprechend den Ausführungen zu Fig. 4 gemessen werden.
  • Die Temperaturmesselemente 114 und 116 sowie das Druckmesselement 118 sind messwertübertragend mit der Regeleinrichtung 120 gekoppelt, die das Abdampfregelventil 154 je nach Messergebnis verschließt oder öffnet. Entsprechend des gemessenen Druckwerts des niedrigeren Drucks 20 und damit des aktuell gültigen Sattdampfdrucks ergibt sich gemäß der in der Regeleinrichtung 120 hinterlegten Dampfkurve 100 der zugehörige aktuell gültige Sattdampftemperaturwert 102. Je nach gültigem Sattdampftemperaturwert 102 wird mittels der Regeleinrichtung 120 das Abdampfregelventil 154 so lange und/oder so weit geschlossen, bis mit dem Temperaturmesselement 114 bzw. 116 der definierte Abdampftemperaturwert 106 gemessen wird.
  • In Fig. 8 ist ersichtlich, dass mittels des Abdampfregelventils 154 der Abdampfdruck auf einen ersten niedrigeren Druck 158 angehoben wird, der etwas höher ist als der niedrigere Druck 20. Damit wird der überhitzte Arbeitsmedium-Dampf mittels der Expansionseinrichtung 56 in einer ersten Expansionsstufe 160 zunächst auf den ersten niedrigeren Druck 158 entspannt. Bei Ammoniak liegt dieser erste niedrigere Druck 158 etwa 12 bar. Diesem ersten niedrigeren Druck 158 ist gemäß der Dampfkurve 100 eine Sattdampftemperatur von etwa 33 °C zugehörig.
  • In Kreislaufrichtung 24 nach dem Abdampfregelventil 154 wird der erste niedrigere Druck 158 dann in einer zweiten Expansionsstufe 162 auf einen zweiten niedrigeren Druck restentspannt, der dem den niedrigeren Druck 20 entspricht. Der niedrigere Druck 20 ist der Kondensationsdruck des Arbeitsmediums, das heißt der Druck, bei dem das Arbeitsmedium in der Kondensationseinrichtung 62 kondensiert wird. Der Fig. 8 kann entnommen werden, dass die Temperatur des Arbeitsmediums nach dem Restentspannen beim niedrigeren Druck 20 den definierten Abdampftemperaturwert 106 oberhalb der dem niedrigeren Druck 20 zugehörigen Sattdampftemperaturwert 102 aufweist. Der Endpunkt des Schrittes 96 befindet sich also außerhalb des Nassdampfgebiets 86, womit ein Kondensieren des Arbeitsmedium-Dampfes verhindert ist.
  • In einem weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Druckerhöhungsreinrichtung 26 mit einer Dampfpumpe gestaltet. Die Dampfpumpe dient zum Erhöhen des Druckes auf das Arbeitsmedium unter Einwirkung von Dampf auf das Arbeitsmedium. Dazu ist die Dampfpumpe wärmeübertragend mittels der Wärmeübertragungseinrichtung 30 und eines Dampfüberführmittels an die Wärmequelle 14 gekoppelt. Der mit der Wärmeübertragungseinrichtung 30 gebildete Arbeitsmedium-Dampf ist zum Teil von dem Dampfüberführmittel in die Dampfpumpe zu überführen. Damit kann die thermische Energie der Wärmequelle 14 besonders gut ausgenutzt werden und zudem eine ansonsten erforderliche elektrische Energie für die Druckerhöhungsreinrichtung 26 eingespart werden. Insgesamt kann der Wirkungsgrad nochmals erhöht werden.
  • Zudem kann mittels der erfindungsgemäßen Lösung auch ein Trocknungsprozess zum Trocknen eines Stoffes energetisch optimiert werden. Dazu wird freiwerdende Energie des Schrittes 98 des Kondensierens des Arbeitsmediums energieübertragend mit dem Trocknungsprozess gekoppelt. Zusätzlich werden zum Trocknen des Stoffes als weitere Wärmequellen 14 und 17 die Motorabwärme und die Abgasabwärme eines Verbrennungsprozesses von Brennstoff, insbesondere von Biogas, genutzt.
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Vorrichtung zum Umwandeln von thermischer Energie
    12
    Verfahren
    14
    Wärmequelle
    16
    thermodynamischer Kreisprozess
    17
    Wärmequelle
    18
    Sammelbehälter
    20
    niedrigerer Druck
    22
    Leitung
    24
    Kreislaufrichtung
    26
    Druckerhöhungseinrichtung
    28
    erhöhter Druck
    30
    Wärmeübertragungseinrichtung
    32
    erster Wärmeübertrager
    34
    zweiter Wärmeübertrager
    36
    Leitung
    38
    Leitung
    40
    Abscheider
    42
    unterer Raumbereich
    44
    oberer Raumbereich
    46
    Leitung
    48
    Leitung
    50
    Leitung
    52
    Leitung
    54
    Eintrittsventil
    56
    Expansionseinrichtung
    58
    Generator
    60
    Leitung bzw. Abdampfleitung
    62
    Kondensationseinrichtung
    64
    Ölversorgungskreislauf
    66
    Ölzuführleitung bzw. Zuführeinrichtung
    68
    Öleintrittsventil
    70
    Ölabscheider
    71
    Trennelement
    72
    Ölabfuhrleitung
    74
    Ölsammelbehälter
    76
    Ölheizer
    78
    Dampfleitung
    80
    Ölpumpe
    82
    Heizkreislaufleitung
    83
    Logarithmus Druck
    84
    Enthalpie
    85
    Phasengrenzlinie
    86
    Nassdampfgebiet
    88
    Schritt des Erhöhens von Druck
    90
    Schritt des Vorerwärmens
    92
    Schritt des Verdampfens
    94
    Schritt des Überhitzens
    96
    Schritt des Expandierens
    98
    Schritt des Kondensierens
    100
    Dampfkurve
    102
    Sattdampftemperaturwert
    104
    Einstelleinrichtung
    106
    definierter Abdampftemperaturwert
    108
    Dampfzuführung
    110
    Dampfzuführleitung
    112
    Eintrittsventil
    114
    Temperaturmesselement
    116
    Temperaturmesselement
    118
    Druckmesselement
    120
    Regeleinrichtung
    122
    Isotherme bei 20 °C
    124
    Isotherme bei 30 °C
    126
    Ringgehäuse
    128
    Einlass
    130
    Auslass
    132
    innere Ringwand
    134
    Drehkolben
    136
    Welle
    138
    Nut
    140
    Schieber
    142
    Zelle
    144
    Volumen
    146
    Drehwinkelzone
    148
    Drehwinkelzone
    150
    Drehwinkelzone
    152
    Drehwinkelzone
    154
    Ventil bzw. Abdampfregelventil
    156
    Sperrelement
    158
    erster niedrigerer Druck
    160
    erste Expansionsstufe
    162
    zweite Expansionsstufe

Claims (10)

  1. Vorrichtung (10) zum Umwandeln von thermischer Energie aus einer Wärmequelle (14, 17) in mechanische Energie mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses (16) mit
    - einem Arbeitsmedium, das in dem Kreisprozess (16) geführt und dabei einem wechselnden Druck ausgesetzt ist, wobei dem jeweiligen Druck ein Sattdampftemperaturwert des Arbeitsmediums zugehörig ist, sowie
    - einer Expansionseinrichtung (56) zum Expandieren des Arbeitsmediums von einem erhöhten Druck (28) auf einen niedrigeren Druck (20), wobei das Arbeitsmedium nach dem Expandieren auf den niedrigeren Druck (20) eine Abdampftemperatur aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, dass eine Einstelleinrichtung (104) zum Einstellen der Abdampftemperatur auf einen definierten Abdampftemperaturwert (106) oberhalb des dem niedrigeren Druck (20) zugehörigen Sattdampftemperaturwerts (102) vorgesehen ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass der definierte Abdampftemperaturwert (106) zwischen 2 K und 12 K, bevorzugt zwischen 4 K und 8 K sowie besonders bevorzugt zwischen 5 K und 6 K oberhalb des dem niedrigeren Druck (20) zugehörigen Sattdampftemperaturwerts (102) liegt.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Einstelleinrichtung (104) eine Temperatur des Arbeitsmediums derart zu erhöhen ist, dass die Abdampftemperatur den definierten Abdampftemperaturwert (106) oberhalb des dem niedrigeren Druck (20) zugehörigen Sattdampftemperaturwerts (102) aufweist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Einstelleinrichtung (104) die Temperatur des Arbeitsmediums innerhalb der Expansionseinrichtung (56) zu erhöhen ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Einstelleinrichtung (104) eine Dampfzuführung (108) zum Zuführen von Dampf zum Arbeitsmedium umfasst, wobei der Dampf insbesondere überhitzter Dampf ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Dampf ein Dampf des Arbeitsmediums ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Einstelleinrichtung (104) ein Gegendruck auf das Arbeitsmedium derart zu erzeugen ist, dass die Abdampftemperatur den definierten Abdampftemperaturwert (106) oberhalb des dem niedrigeren Druck (20) zugehörigen Sattdampftemperaturwerts (102) aufweist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Einstelleinrichtung (104) zum Erzeugen des Gegendrucks auf das Arbeitsmedium ein Sperrelement (156) umfasst, das insbesondere mit einem Ventil (154) zum wahlweisen Öffnen und Verschließen einer das Arbeitsmedium führenden Leitung (60) gestaltet ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium in einer Kreislaufrichtung (24) geführt ist und in Kreislaufrichtung (24) nach der Expansionseinrichtung (56) eine Kondensationseinrichtung (62) zum Kondensieren des expandierten Arbeitsmediums vorgesehen ist, wobei die Einstelleinrichtung (104) ein Temperaturmesselement (114, 116) zum Messen einer Temperatur des Arbeitsmediums in Kreislaufrichtung (24) nach dem Expandieren und vor dem Kondensieren und/oder ein Druckmesselement (118) zum Messen des Druckes des Arbeitsmediums in Kreislaufrichtung (24) nach dem Expandieren und vor dem Kondensieren umfasst.
  10. Verfahren (12) zum Umwandeln von thermischer Energie aus einer Wärmequelle (14, 17) in mechanische Energie mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses (16) mit einem Arbeitsmedium, das in dem Kreisprozess (16) geführt und dabei einem wechselnden Druck ausgesetzt wird, wobei dem jeweiligen Druck ein Sattdampftemperaturwert des Arbeitsmediums zugehörig ist,
    sowie einem Schritt (96) des Expandierens des Arbeitsmediums von einem erhöhten Druck (28) auf einen niedrigeren Druck (20), wobei das Arbeitsmedium nach dem Expandieren auf den niedrigeren Druck (20) eine Abdampftemperatur aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Abdampftemperatur auf einen definierten Abdampftemperaturwert (106) oberhalb des dem niedrigeren Druck (20) zugehörigen Sattdampftemperaturwerts (102) eingestellt wird.
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