EP3366894B1 - Vorrichtung zum umwandeln von thermischer energie - Google Patents

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EP3366894B1
EP3366894B1 EP17157833.9A EP17157833A EP3366894B1 EP 3366894 B1 EP3366894 B1 EP 3366894B1 EP 17157833 A EP17157833 A EP 17157833A EP 3366894 B1 EP3366894 B1 EP 3366894B1
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EP
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working medium
pressure
expansion
temperature value
lower pressure
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EP3366894A1 (de
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Arthur FLÜCK
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Agronorm Vertriebs GmbH
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Priority to US16/488,582 priority patent/US20200040771A1/en
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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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 process with a working medium that is guided in the cycle process and is exposed to a changing pressure, with a saturated steam temperature value of the working medium being associated with the respective pressure, and a Expansion device for expanding the working medium from an increased pressure to a lower pressure, the working medium having an evaporation temperature after the expansion to the lower pressure. Furthermore, the invention relates to a corresponding method for converting thermal energy into mechanical energy.
  • thermodynamic cycle which is widely used in steam power plants with water as the working medium.
  • the water is heated to around 600°C using 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 vaporize at lower temperatures. Therefore, ORC processes are used to recover 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 as well as waste heat from engines, industrial production processes and biogas plants. They can only be insufficiently utilized 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, the working medium can absorb energy from the environment or release it into the environment. The working medium is thus exposed to changing pressure. It is first placed under increased pressure as a liquid working medium and then evaporated and superheated by transferring thermal energy from the heat source. A high-energy, compressed working medium vapor is produced, which can release the energy it has absorbed when expanding from the increased pressure to a lower pressure by means of an expansion device. The energy emitted can drive a generator for generating electrical energy in the form of mechanical energy.
  • the working medium vapor After the expansion or the expansion process, the working medium vapor often has a proportion of liquid working medium as waste steam. This proportion of liquid working medium lowers the efficiency and service life of many expansion devices.
  • a major reason for this is that most expansion devices, such as positive displacement machines and especially vane expanders, usually require oil lubrication with a lubricating oil. By means of the lubricating oil, friction between moving components of the expansion device can be kept low and leakage gaps in an expansion chamber carrying the working medium can be sealed. If, on the other hand, the lubricating oil is enriched with the proportion of liquid working medium, the lubricating properties and sealing abilities of the lubricating oil decrease.
  • a Rankine cycle device having a pump that pressurizes a working fluid; an evaporator that heats the working fluid pressurized by the pump; an expander that converts the energy of expansion of the working fluid heated in the evaporator into rotary power; a condenser that cools the working fluid discharged from the expander; and an internal heat exchanger that enables heat exchange between the working fluid discharged from the expander and the working fluid discharged from the pump.
  • the invention is based on the object of creating a device and a method for a thermodynamic cycle process with a working medium for converting thermal energy.
  • the aim is to optimize the thermodynamic cycle process, in particular with regard to the service life and efficiency of the expansion device and the expansion process.
  • a device for converting thermal energy from a heat source into mechanical energy by means of a thermodynamic cycle process with a working medium that is guided in the cycle process and is exposed to a changing pressure, the respective pressure being a saturated steam temperature value of the working medium is related and an expansion device for expanding the working medium from an increased pressure to a lower pressure, the working medium having an evaporation temperature after the expansion to the lower pressure.
  • a setting device is provided for setting the exhaust steam temperature to a defined exhaust steam temperature value above the saturated steam temperature value associated with the lower pressure, the setting device comprising a steam supply for supplying superheated steam to the working medium.
  • the working medium guided in the cyclic process is exposed to a changing pressure, which is in particular subject to periodic changes.
  • a saturated steam temperature value of the working medium is associated with each respective pressure to which the working medium is exposed.
  • the saturated steam temperature value is the temperature value at which the liquid working medium is in equilibrium with the gaseous working medium. It depends on the respective pressure, which is referred to as the saturated steam pressure value.
  • the dependence of the saturated steam pressure value and the saturated steam temperature value can be represented as a phase boundary line between liquid and gaseous working medium in a steam curve.
  • the vapor 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. When the gaseous working medium cools down, the first condensation drops of the working medium form when the saturated steam temperature value is reached.
  • the working medium circulated in the cycle is to be expanded or closed by means of the expansion device from an increased pressure to a lower pressure relax.
  • expanding not only does the pressure of the working medium drop to the lower pressure, but also the temperature of the working medium.
  • the temperature that the working medium has after expanding to the lower pressure is referred to as the evaporation temperature.
  • an adjustment device is provided with which this exhaust steam temperature can be set to a defined exhaust steam temperature value above the saturated steam temperature value associated with the lower pressure.
  • the exhaust steam temperature value of the working medium can be set specifically above the saturated steam temperature value 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 aggregate state during and after the expansion can be reliably avoided. In this way, a consistently condensate-free working medium vapor is achieved in the associated expansion device without a proportion of liquid working medium.
  • Lubricant which is usually liquid and is present in and on the expansion device, such as in particular a lubricating oil, cannot be contaminated with liquid working medium.
  • the lubricant that is kept clean in this way reliably prevents friction between moving components of the expansion device and reliably seals the expansion chamber against the escape of working medium.
  • subsequent heating to expel any liquid working medium that would otherwise occur in the lubricant, which is usually returned, is not necessary.
  • both the efficiency and the service life of the expansion device according to the device according to the invention are significantly improved in comparison to conventional generic devices.
  • the solution according to the invention is initially surprising, since additional components and an additional expenditure of energy are required for the adjustment device.
  • there is a higher evaporation temperature value compared to conventional devices of the generic type.
  • Such a higher evaporation temperature value results in a loss of energy. Comparatively less energy can be released during the expansion, which can be further used as mechanical energy.
  • the condensation of the gaseous working medium after the expansion can be avoided independently of a wide variety of external and internal conditions of the thermodynamic cycle process.
  • the evaporation temperature value of the working medium is always set above the saturated steam temperature value associated with the lower pressure.
  • the evaporation temperature value is therefore defined as a function of the lower pressure, which can 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 exhaust steam temperature value is defined as a function of the saturated steam temperature value associated with the lower pressure. This saturated steam temperature value is specific to each working medium, so that the condensation of the gaseous working medium after expansion can always be reliably avoided, regardless of the type of working medium.
  • the defined exhaust steam temperature value is to be kept constant above the saturated steam temperature value associated with the lower pressure.
  • the exhaust steam temperature value kept constant in this way, the expansion and a condensation that follows in the cyclic process after the expansion can be carried out particularly uniformly without major temperature fluctuations.
  • the steam molecules forming the steam move particularly quickly and, in the event of a collision, transfer their movement particularly quickly to the working medium-steam molecules, which increases the temperature of the working medium-steam correspondingly faster.
  • the temperature of the working medium steam can be set very specifically to the defined exhaust steam temperature value.
  • the defined evaporation temperature value is between 2 K and 12 K, preferably between 4 K and 8 K and particularly preferably between 5 K and 6 K above the saturated steam temperature value associated with the lower pressure. It was found that such a small difference between the exhaust steam temperature value and the relevant saturated steam temperature value is sufficient to be able to reliably avoid condensation in the working medium steam during expansion to the lower pressure. For a larger difference, a higher boil-off temperature value would have to be set, which would cause an unnecessary loss of energy.
  • the working medium which is conducted in a thermodynamic cycle process, in its liquid state of aggregation has to be set from a lower pressure to an increased pressure. Thereafter, the working medium, which has been subjected to the increased pressure, is to be evaporated isobaric and to be overheated. At the same time, the temperature of the working medium. When the compressed and superheated working medium vapor expands to the lower pressure, the temperature of the working medium vapor drops to the exhaust vapor 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 evaporation temperature value above the saturated steam temperature value associated with the lower pressure.
  • the temperature of the working medium inside the expansion device by means of the adjustment device.
  • This allows the temperature to be increased during the expansion process, which saves more energy than raising the temperature of the superheated working medium vapor before expansion.
  • the temperature of the working medium should be increased towards the end of the expansion process.
  • the temperature of the expanding working medium vapor is lower than at the beginning or in the middle of the expansion process. In this way, the temperature of the working medium can be raised from a comparatively low temperature to the required temperature value, with which the defined evaporation temperature value is to be reached after the expansion, in an energy-saving manner.
  • the steam feed is preferably adapted to feed the steam into the expansion device, in particular after the working medium steam circulated in the cycle has been fed into the expansion device.
  • the temperature of the working medium vapor can thus be increased during the expansion in an energy-saving manner.
  • a steam feed preferably leading towards the end of the expansion into the expansion device is particularly energy-saving.
  • 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 power of the additional steam, which can be delivered to the expansion device in the form of additional mechanical power. A higher output and an 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 thus remains a pure working medium, which is not contaminated with the vapor of another medium, despite the supply of additional steam.
  • the vapor of the working medium preferably comes from the same cyclic process as the vapor of the working medium itself, which is to be conducted into the expansion device at the beginning of the expansion. Only a single steam generation is then necessary, saving energy and components, for which purpose thermal energy can be transferred from the heat source in a particularly efficient manner.
  • the expansion device is designed as a displacement machine for passing the working medium through at least one expansion space or volume space that increases as it is passed through.
  • an inlet is provided for admitting the working medium vapor, which is placed under the increased pressure, into the expansion space.
  • the admitted working medium vapor then displaces a component that delimits the expansion space. This increases the expansion space and at the same time moves the component to perform mechanical work. Increasing the expansion space causes the working medium vapor to expand from the elevated pressure to the lower pressure.
  • the working medium vapor can be fed through the inlet and the additional vapor can be fed into the expansion space through a vapor supply positioned between the inlet and the outlet.
  • the working medium vapor can expand as it is passed through the expanding expansion space and can be intermediately heated during the expanding expansion space by means of the vapor supplied. Together with the supplied steam, the reheated working medium steam can expand further in the direction of the outlet.
  • the supply of steam in such a positive-displacement machine can be designed in a particularly targeted manner with two or more expansion chambers.
  • the steam supply can be designed in such a way that additional steam is to be conducted in a targeted manner into the expansion space when the expansion space has reached a desired size.
  • the heated working medium vapor can then continue to expand in the expanding space, until the expansion space reaches an outlet from which the working medium vapor and the additional vapor can escape.
  • At least the inlet for the working medium vapor is arranged spatially far enough away from the vapor supply that an expansion space located at the inlet is spatially separated from an expansion space located at the vapor supply.
  • the outlet is preferably arranged spatially far enough away from the steam supply that an expansion space located at the outlet is spatially separated from the expansion space located at the steam supply. This enables 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 inlet.
  • a back pressure on the working medium can advantageously be generated by means of the adjusting device 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. Building up such a counter-pressure is particularly energy-saving.
  • the lower pressure With such a back pressure, the lower pressure is not initially reached during expansion, but rather a lower pressure that is increased in accordance with the back pressure.
  • a correspondingly increased saturated steam temperature value of the working medium is associated with the increased lower pressure.
  • the working medium vapor is initially kept at the increased, lower pressure by means of the back pressure and has an exhaust vapor temperature that corresponds to this increased saturated vapor temperature value.
  • the lower pressure which has been increased in accordance with the back pressure, is then to be rest relaxed or expanded to the lower pressure. After the rest of the expansion, the working medium vapor has an evaporation temperature which 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 reliably avoided over the entire expansion process.
  • an expansion device for expanding the working medium from an increased 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 initially to be expanded to a first, lower pressure by generating or building up counter-pressure.
  • the first lower pressure is to be expanded to a second lower pressure in a second expansion stage, 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 is to be carried out in a first expansion device and the second expansion stage is to be carried out separately from this in a second expansion device.
  • the first expansion device is designed in particular with a displacement machine and the second expansion device is structurally simple as a line element inside a line carrying the working medium. The first and second expansion device then together represent the expansion device.
  • the adjusting device advantageously comprises a blocking element for generating the back pressure on the working medium, which is designed in particular with a valve for selectively opening and closing a line carrying the working medium.
  • a blocking element for generating the back pressure on the working medium, which is designed in particular with a valve for selectively opening and closing a line carrying the working medium.
  • the blocking element is preferably arranged within the expansion device between the first and second expansion device, which then enables the described two-stage expansion process.
  • the working medium is guided in a circuit direction and a condensation device for condensing the expanded working medium is provided in the circuit direction after the expansion device, the setting device having a temperature measuring element for measuring a temperature of the working medium in the circuit direction after the expansion and before the condensation and/or or a pressure measuring element for measuring the pressure of the working medium in the circuit direction after expansion and before condensation.
  • a control device is created with which the setting device can be controlled as a function of the measured temperature and/or the measured pressure. Controllable in this way, the exhaust steam temperature can always be reliably set to the desired, defined exhaust steam temperature value using the setting device.
  • the temperature measuring element measures in particular the evaporation temperature of the working medium after the expansion.
  • the evaporation temperature is also dependent on the temperature of an inlet vapor of the working medium when it enters the expansion device.
  • the temperature of the working medium before condensation or the condensation temperature value can be determined.
  • the condensation temperature value corresponds in particular to the saturated steam temperature value associated with the lower pressure.
  • a currently valid saturated vapor pressure value or condensation pressure value of the working medium, which is dependent on a cooling capacity of the condensation device, can be measured with the pressure measuring element in particular shortly before the condensation.
  • the invention is directed to a method according to claim 9 for converting thermal energy from a heat source into mechanical energy by means of a thermodynamic cycle process, with a working medium that is guided in the cycle process and is exposed to a changing pressure, the respective pressure being a saturated steam temperature value of the working medium, and a step of expanding the working medium from an increased pressure to a lower pressure, the working medium having an evaporation temperature after the expansion to the lower pressure.
  • the exhaust steam temperature is set to a defined exhaust steam temperature value above the saturated steam temperature value associated with the lower pressure, superheated steam being fed to the working medium.
  • 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 conducted in the cycle 16 .
  • the thermodynamic cycle process 16 shown is a modified organic Rankine cycle process (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
  • Liquid ammonia has a high vaporization enthalpy, which means that a relatively large amount of energy has to be expended to convert ammonia from its liquid to its gaseous state of aggregation. A corresponding amount of energy can therefore be stored in the gaseous ammonia and then converted into mechanical energy during expansion.
  • the heat source 14 can be a single heat source 14 or can be designed with two different heat sources 14 and 17 . In the exemplary embodiments shown, two different heat sources are energetically utilized, in which the heat source 14 has a lower temperature than the heat source 17 .
  • the heat source 14 is waste heat from the engine and the heat source 17 is waste heat from the exhaust gas 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 in a collection container 18 belonging to the cyclic process 16 .
  • the working medium is under a pressure which, as a lower pressure 20 , represents a lower pressure level of the thermodynamic cycle process 16 .
  • a line 22 carries the working medium in a circuit direction 24 to a pressure increasing device 26.
  • the pressure to which the working medium is exposed is to be increased by the pressure increasing device 26 from the lower pressure 20 to a pressure known as the increased pressure 28 represents an upper pressure level of cycle process 16 .
  • the heat transfer device 30 comprises a first heat exchanger 32 and a second heat exchanger 34 connected in series.
  • the first heat exchanger 32 is heat-transferring by means coupled to the heat source 14 by a transfer medium conducted through a conduit 36 .
  • the second heat exchanger 34 is coupled to the heat source 17 by means of a transfer medium guided through a line 38 .
  • a separator 40 with a lower spatial area 42 and an upper spatial area 44 is arranged between the two heat exchangers 32 and 34 .
  • the liquid working medium is guided into the upper space area 44 by means of the line 22 .
  • the liquid working medium separates from any gaseous working medium present and sinks into the lower space area 42.
  • a line 46 leads the liquid working medium separated in this way into the first heat exchanger 32, which serves as a preheater and evaporator.
  • the liquid working medium is preheated there by transferring thermal energy from the first heat source 14 and largely evaporates.
  • a working medium vapor generated in this way is a wet vapor. This means that small droplets and finely distributed liquid working medium are still present as condensate in the gaseous working medium.
  • the wet steam is routed from the first heat exchanger 32 through a line 48 into the upper space area 44 of the separator 40 .
  • the proportion of condensate sinks into the lower space area 42 and collects there as a liquid working medium, while only gaseous working medium remains in the upper space area 44 .
  • a particularly dry gaseous working medium can therefore be generated.
  • the liquid working medium returns from the lower spatial area 42 through the line 46 to the first heat exchanger 32 for renewed heating.
  • thermo-siphon principle is made 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 vapor formed. The wet steam thus forces its way through line 48 into the separator 40. Furthermore, exactly as much liquid working medium flows from the lower spatial area 42 of the separator 40 through the line 46 into the heat exchanger 32 as is just required for evaporation.
  • a level regulator (not shown) is provided in the separator 40, with which the pressure-increasing device 26 can be regulated in such a way that only as much working medium is pumped to the first heat exchanger 32 as can also be evaporated.
  • the gaseous working medium is routed from the upper space area 44 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 superheated when thermal energy is transferred from the heat source 17 .
  • the superheated working medium vapor is then conducted from the second heat exchanger 34 through a line 52 by means of an inlet valve 54 into an expansion device 56 .
  • the expansion device 56 With the expansion device 56, the superheated working medium vapor is to be expanded from the increased pressure 28 to the lower pressure 20, with the temperature of the working medium dropping at the same time.
  • the energy released in the process is transferred as mechanical energy to the expansion device 56, which serves as a drive unit for a generator 58 coupled to the expansion device 56 for generating electrical energy.
  • a further expansion device is provided which is connected in parallel to the expansion device 56 and into which the compressed and superheated working medium vapor is fed by means of an associated further inlet valve.
  • the additional expansion device with its associated components is given the same reference numbers as the expansion device 56 .
  • the expanded working medium vapor is led out of the expansion device 56 in the circuit direction 24 downstream of the expansion device 56 through a line or exhaust steam line 60 and passed through a condensation device 62 .
  • the expanded working medium vapor is cooled and condensed by the condensation device 62 .
  • the condensed working medium is fed into the collection container 18 which is arranged in the line 22 in the circulation direction 24 after the condensation device 62 . With the condensation, the thermodynamic cycle process 16 is closed and can be repeated as often as required.
  • the device 10 has an oil supply circuit 64, each with an oil supply line 66, through which an oil is to be guided into the respectively associated expansion device 56 by means of an associated oil inlet valve 68 in each case.
  • the oil serves to seal and lubricate components of the expansion device 56.
  • the oil in the expansion device 56 can get into the working medium vapor.
  • the expanded working medium vapor is guided together with the oil from each expansion device 56 through the associated exhaust steam line 60 into a respective associated oil separator 70 .
  • the oil is to be separated from the expanded working medium vapor with the oil separator 70 .
  • a separating element 71 is arranged at the top in the oil separator 70 and is designed as a mechanical oil separator. The separating element 71 separates the oil as liquid from the expanded working medium vapor as gas mechanically and due to different densities of liquid and gas.
  • the expanded working medium vapor cleaned in this way is routed from the oil separator 70 through the exhaust steam line 60 further in the cycle process 16 to the condensation device 62 .
  • the separated oil is routed from each oil separator 70 through an associated oil discharge line 72 into an oil collection tank 74 .
  • the separated oil can contain a proportion of liquid working medium, which has formed in a conventional manner during the expansion of the working medium vapor.
  • An oil heater 76 is provided in the oil collection container 74 to remove this proportion of liquid working medium.
  • the separated oil is to be heated with the oil heater 76 until the proportion of liquid working medium has been almost completely evaporated or expelled from the oil.
  • a working medium vapor produced in this way is conducted by means of a vapor line 78 from the oil collection tank 74 in the circuit direction 24 between the oil separator 70 and the condensation device 62 back into the exhaust vapor line 60 and thus into the cycle process 16 .
  • an oil pump 80 is arranged in the oil supply line 66 , with which the oil that has been separated and cleaned of the liquid working medium is fed back through the oil supply line 66 into the expansion device 56 .
  • the oil heater 76 comprises a heating circuit line 82 carrying a heating medium, which is coupled to the second heat source 17 in a heat-transferring manner.
  • FIG. 2 shows a schematic pressure (log)-enthalpy diagram of the thermodynamic cycle process 16 of the method 12 by means of the device 10 according to 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 arcuate line shown represents a phase boundary line 85 of the working medium. As long as the phase boundary line 85 rises, this is the boiling line at which a transition from saturated liquid working medium to wet vapor takes place. If the phase boundary line 85 falls, it represents the dew line marks a transition of the wet vapor to a saturated vapor of the working medium. During such a transition, the steam is also referred to as saturated steam.
  • phase boundary line 85 and the abscissa axis An area enclosed by the phase boundary line 85 and the abscissa axis is a wet-steam region 86 of the working medium, in which working-medium vapor is present as the gaseous phase and liquid working medium is present as the liquid phase at the same time.
  • the working medium is placed under the increased pressure 28 by means of the pressure increasing device 26 .
  • Ammonia is brought from a lower pressure 20 of about 8.4 bar and a temperature of about 23°C to an elevated pressure 28 of about 37 bar and a temperature of about 30°C.
  • a preheating step 90 the working medium, which is under the increased pressure 28 , is heated isobarically to an evaporation temperature value associated with the increased pressure 28 by the first heat exchanger 32 . In the case of ammonia, this value is around 76 °C. Subsequently, in a step 92 of evaporation, the working medium, which is still liquid and has been preheated to the evaporation temperature value, is evaporated isobaric. During step 92, the majority of the thermal energy is supplied to the working fluid. During evaporation, the temperature of the working medium remains the same.
  • the working medium vapor generated in step 92 is then isobarically superheated to a final temperature by means of the second heat exchanger 34 in a step 94 of superheating.
  • the final temperature for ammonia is around 120 °C.
  • the working medium vapor superheated in this way is expanded adiabatically as superheated ammonia gas in an expansion step 96 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 working medium emerging from the expansion device 56 then has the lower Pressure 20 as the exhaust steam pressure and an exhaust steam temperature which is lower than the inlet temperature.
  • Entering ammonia has the increased pressure 28 of about 37 bar and the entry 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.
  • the escaping vapor of the working medium contains a liquid portion in the exhaust steam, since both the inlet temperature and the exhaust steam temperature are subject to certain tolerances. A condensate forms in the exhaust steam even at a slightly lower inlet temperature.
  • the expanded working medium exiting from the expansion device 56 is isobarically condensed in a condensing step 98 by means of the condensation device 62 and thus returns to its initial state in the cycle process 16.
  • FIG. 3 shows a saturation vapor pressure curve or vapor pressure line or vapor curve 100 of the working medium conducted in the cycle process 16, in this case the vapor curve 100 of ammonia.
  • the pressure is plotted on the ordinate axis and the temperature 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 from 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 has a value of 23° C. for ammonia at a lower pressure 20 of 8.4 bar.
  • FIG 4 and 7 show a section of the device 10, in which, in contrast to the device 12 according to FIG 1 an adjusting device 104 for adjusting the evaporation temperature of the working medium after step 96 of expanding is provided.
  • the exhaust steam temperature is set to a defined exhaust steam temperature value 106 above the saturated steam temperature value 102 associated with the lower pressure 20 by means of the setting device 104 .
  • the defined exhaust steam temperature value 106 is between 4 K and 8 K above the saturated steam temperature value 102 associated with the lower pressure 20.
  • the adjustment device 104 includes a steam supply 108 for supplying steam during the step 96 of expanding into each expander 56.
  • the supplying of steam in this way is also referred to as intermediate injection.
  • the temperature of the working medium vapor during expansion can be increased in such a way that the evaporation temperature of the working medium has the defined evaporation temperature value 106 after step 96.
  • the steam supply 108 is designed with a respective steam supply line 110 and an additional inlet valve 112 arranged therein, which lead in the circuit direction 24 after the inlet valve 54 into the associated expansion device 56 .
  • the steam supply line 110 is connected to the line 52 in a fluid-conducting manner. Connected in this way, the working medium vapor superheated by the second heat exchanger 34 can be routed 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 towards the end of step 96 of the expansion.
  • the setting device 104 in each case a temperature measuring element 114 belonging to each expansion device 56, which is arranged shortly after each oil separator 70 in the circulation direction 24 after the expansion. Arranged in this way, the evaporation temperature of the working medium can be determined by means of the temperature measuring element 114 .
  • a circulatory direction 24 temperature measuring element 116 arranged shortly before the condensation device 62 and a pressure measuring element 118 arranged shortly before it are provided.
  • the pressure-measuring element 118 and temperature-measuring element 116 associated with the condensation device 62 are each coupled to the temperature-measuring element 114 associated with an expansion device 56 .
  • the measured values can be transmitted to a control device 120 belonging to each expansion device 56 .
  • the control device 120 then opens and closes the additional inlet valve 112 to supply steam into the expansion device 56 depending on the measurement result.
  • a pressure value of the lower pressure 20 that is currently valid in the cycle process 16 is measured with the pressure measuring element 118 shortly before the condensation device 62 .
  • the lower pressure 20 may vary depending on the inlet pressure value of the elevated pressure 28 into the expander 56 and depending on the condensation temperature of the condenser 62 .
  • the associated currently valid saturated steam temperature value 102 results according to the steam curve 100 stored in the control device 120.
  • the additional inlet valve 112 is opened by means of the control device 120 for so long and/or until the defined exhaust steam temperature value 106 is measured with the temperature measuring element 114 .
  • a corresponding quantity of additional steam is thus supplied until the defined exhaust steam temperature value 106 is reached and, in particular, is 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 from a cooling capacity of the condensation device 62 dependent.
  • the cooling capacity can vary according to the temperature of the coolant. The cooling capacity is directly dependent on the prevailing outside temperature, in particular when the coolant is air from the environment, which is particularly simple and inexpensive in terms of construction.
  • the additional inlet valve 112 is opened by means of the control device 120 until the defined exhaust steam temperature value 106 is measured with the temperature measuring element 114.
  • the associated saturated steam pressure value can be determined according to the steam curve 100. This saturated vapor pressure value corresponds to the applicable lower pressure 20.
  • step 96 it can be seen how the temperature of the working medium increases when superheated working medium steam is supplied towards the end of the expansion by means of the steam supply 108 .
  • the working medium has the defined exhaust steam temperature value 106 above the saturated steam temperature value 102 associated with the lower pressure 20.
  • the end point of step 96 is therefore relatively far outside the wet steam region 86, so that condensate in the exhaust steam is reliably avoided.
  • the defined exhaust steam temperature value 106 is around 28° C. and is therefore around 5 K above the saturated steam temperature value 102 of around 23 C at the lower pressure 20 of around 8.4 bar.
  • FIG 6 12 shows the expansion device 56 used in the device 10 according to FIG 4 used and designed with a rotary valve machine as a displacement machine.
  • the rotary valve machine is a rotary piston expander that opposes a rotary piston compressor works and is presently a vane expander.
  • Such a vane cell expander has an annular housing 126 with an inlet 128 and an outlet 130 .
  • the inlet 128 serves to let in the working medium vapor which is under the increased pressure 28 and the outlet 130 to let out the expanded working medium vapor.
  • Each flow direction of the working medium vapor is indicated with a flow arrow.
  • the annular housing 126 is formed with a cylindrical hollow cylinder, the inner lateral surface of which forms an inner annular wall 132 .
  • a rotary piston 134 is rotatably mounted centrally about a shaft 136 eccentrically to the axis of the hollow cylinder.
  • the rotary piston 134 comprises eight grooves 138 along its longitudinal extent, in each of which an associated slide 140 is mounted so that it can be displaced radially back and forth.
  • two opposing delimiting surfaces (not shown) are provided in the axial direction. Together with the rotary piston 134, the inner ring wall 132 and the eight slides 140, the two boundary surfaces delimit eight cells 142, each with a variable volume 144.
  • the individual variable volume 144 is formed in that the respective slide 140 is pressed in a sealing manner against the annular wall 132 in the course of a rotation by acting centrifugal forces. Because the rotary piston 134 is mounted eccentrically in the annular housing 126, the distance between the rotary piston 134 and the annular wall 132 varies during the rotational movement. Therefore, the respective slide 140 is pushed back and forth in the associated groove 138 when rotating. With an increasing distance, the slide 140 is pushed out of the associated groove 138 until the maximum of the distance and thus also the maximum volume of the volume 144 is reached.
  • variable volume 144 increases during the rotational movement from the inlet 128 to the outlet 130, so that when the working medium vapor which is under the increased pressure 28 is passed through, this working medium vapor is expanded. During expansion, the working medium vapor presses against a respective slide 140 in the direction of circulation, so that the rotational movement is started and maintained. This drives the shaft 136, which in turn drives the generator 58 to produce electrical power.
  • variable volume 144 of each cell 142 is dependent on a rotation angle associated with the rotational movement, which can be divided into individual consecutive rotation angle zones.
  • the volume 144 thus has its volume minimum in a rotation angle zone 146 .
  • the volume 144 slowly increases in a rotation angle zone 148 during the inflow of the compressed working medium vapor and is expanded in the rotation angle zone 150 up to its volume maximum.
  • the temperature of the working medium vapor drops.
  • superheated working medium vapor is fed through the vapor feed line 110 by means of the vapor feed 108 into each cell 142 or injected in between.
  • the temperature of the expanding working medium vapor is raised to such an extent that the vaporization temperature of the working medium vapor emerging through the outlet 130 has the defined vaporization temperature value 106 .
  • the working medium vapor which has been reheated in this way and expanded at the maximum volume then flows out of the outlet 130 in a rotation angle zone 152 except for a small residual volume.
  • the working medium vapor of each cell 142 exiting through the outlet 130 is the working medium vapor admitted through the inlet 128 together with the intermediately injected working medium vapor.
  • the residual volume remains in the respective cell 142 and is compressed via the rotation angle zone 146 until compressed working medium vapor flows in again at the inlet 128 . This process is repeated periodically.
  • the expansion ratio ie the ratio between the volume 144 at the inlet 128 and the volume 144 at the outlet 130 is set to 1:3 to 1:4 and is therefore specially adapted for the working medium ammonia.
  • the oil supply line 66 for supplying oil is provided for sealing and lubricating the radial and axial slide gaps occurring between the respective groove 138 and the associated slide 140 ( 4 ).
  • the running surface of the slide 140 along the ring wall 132 is also specifically sealed and lubricated with the oil.
  • the oil mixes with the working medium vapor as the working medium vapor expands and is to be discharged again through the exhaust vapor line 60 through the oil separator 70 from the expansion device 56 .
  • the oil separator 70 the oil separates again from the working medium vapor.
  • a back pressure on the working medium is to be generated by means of the adjustment device 104 in such a way that the evaporation temperature of the expanded working medium has the defined evaporation temperature value 106 above the saturated steam temperature value 102 associated with the lower pressure 20 .
  • a valve or exhaust steam control valve 154 is provided as a blocking element 156 with which the exhaust steam line 60 can be shut off. Blocked off in this way, a reduction in the pressure of the working medium in the circuit direction 24 is prevented.
  • the working medium is backed up in the exhaust steam line 60 against the circuit direction 24 or the direction of flow, whereby the desired Back pressure can be generated. By opening the exhaust steam control valve 154, the back pressure can be reduced again if necessary.
  • the setting device 104 of the device 10 In order to control the exhaust steam control valve 154, the setting device 104 of the device 10 according to FIG 7 temperature measuring element 114, after expansion in circuit direction 24, just before the exhaust steam control valve 154. After the exhaust steam control valve 154 and just before the condensation device 62, the temperature measuring element 116 is arranged, with which the currently valid saturated steam temperature value 102 of the working medium is measured there, as for 4 described, can be determined. In addition, the pressure measuring element 118 is provided in the circuit direction 24 after the exhaust steam control valve 154 and just before the condensation device 62 . With the pressure measuring element 118, a currently valid pressure value of the lower pressure 20 in the cycle process 16 can be measured shortly before the condensation device 62 in accordance with the explanations 4 be measured.
  • the temperature measuring elements 114 and 116 as well as the pressure measuring element 118 are coupled to the control device 120 in order to transmit measured values, which closes or opens the exhaust steam control valve 154 depending on the measurement result.
  • the associated currently valid saturated steam temperature value 102 results according to the steam curve 100 stored in the control device 120 closed until the defined exhaust steam temperature value 106 is measured with the temperature measuring element 114 or 116 .
  • the exhaust steam pressure is raised to a first lower pressure 158 by means of the exhaust steam control valve 154, which is slightly higher than the lower pressure 20.
  • the superheated working medium steam is thus initially reduced to the first lower pressure by means of the expansion device 56 in a first expansion stage 160 Pressure 158 relaxed.
  • this first lower pressure 158 is associated with a saturated steam temperature of approximately 33°C.
  • the first, lower pressure 158 is then rest-expanded in a second expansion stage 162 to a second, lower pressure, which corresponds to the lower pressure 20 .
  • the lower pressure 20 is the condensation pressure of the working medium, ie the pressure at which the working medium is condensed in the condensation device 62 .
  • the temperature of the working medium after the rest of the expansion at the lower pressure 20 has the defined exhaust steam temperature value 106 above the saturated steam temperature value 102 associated with the lower pressure 20 .
  • the end point of step 96 is therefore outside of the wet-steam region 86, which prevents the working-medium vapor from condensing.
  • the pressure-increasing device 26 is designed with a vapor pump.
  • the steam pump serves to increase the pressure on the working medium under the influence of steam on the working medium.
  • the vapor pump is coupled to the heat source 14 in a heat-transferring manner by means of the heat transfer device 30 and a vapor transfer means.
  • the working medium vapor formed with the heat transfer device 30 is to be transferred in part from the vapor transfer means into the vapor pump. In this way, the thermal energy of the heat source 14 can be utilized particularly well and, in addition, electrical energy that would otherwise be required for the pressure-increasing device 26 can be saved. Overall, the efficiency can be increased again.
  • a drying process for drying a substance can also be energetically optimized by means of the solution according to the invention.
  • energy released in step 98 of condensing the working medium is coupled in an energy-transmitting manner to the drying process.
  • the engine waste heat and the exhaust gas waste heat of a combustion process of fuel, in particular biogas used for drying of the substance as further heat sources 14 and 17.

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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.
  • Aus EP 2930319 A1 ist eine Clausius-Rankine-Kreisprozessvorrichtung bekannt mit einer Pumpe, die ein Arbeitsfluid unter Druck setzt; einem Verdampfer, der das von der Pumpe unter Druck gesetzte Arbeitsfluid erwärmt; einem Expander, der die Expansionsenergie des im Verdampfer erhitzten Arbeitsfluids in Drehkraft umwandelt; einem Kondensator, der das von dem Expander abgegebene Arbeitsfluid kühlt; und einem internen Wärmeaustauscher, der den Wärmeaustausch zwischen dem von dem Expander abgegebenen Arbeitsfluid und dem von der Pumpe abgegebenen Arbeitsfluid ermöglicht.
    • 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 gemäß Anspruch 1 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, wobei die Einstelleinrichtung eine Dampfzuführung zum Zuführen von überhitztem Dampf zum Arbeitsmedium umfasst.
  • 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.
  • Bei der Dampfzuführung zum Zuführen von überhitztem Dampf zum Arbeitsmedium bewegen sich die den Dampf bildende Dampf-Moleküle besonders schnell und übertragen ihre Bewegung bei einem Zusammenstoß besonders schnell an die Arbeitsmedium-Dampf-Moleküle, was die Temperatur des Arbeitsmedium-Dampfes entsprechend schneller erhöht. Zudem kann je nach Temperatur und Menge des zuzuführenden Dampfes die Temperatur des Arbeitsmedium-Dampfes sehr zielgerichtet auf den definierten Abdampftemperaturwert eingestellt 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.
  • 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 gemäß Anspruch 9 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, wobei überhitzter Dampf zum Arbeitsmedium zugeführt wird.
  • 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 20 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 20 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 (9)

  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,
    wobei eine Einstelleinrichtung (104) zum Einstellen der Abdampftemperatur auf einen definierten Abdampftemperaturwert (106) oberhalb des dem niedrigeren Druck (20) zugehörigen Sattdampftemperaturwerts (102) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass
    die Einstelleinrichtung (104) eine Dampfzuführung (108) zum Zuführen von überhitztem Dampf während des Expandierens des Arbeitsmediums zum Arbeitsmedium umfasst.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    wobei 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,
    wobei 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,
    wobei mittels der Einstelleinrichtung (104) die Temperatur des Arbeitsmediums innerhalb der Expansionseinrichtung (56) zu erhöhen ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    wobei der Dampf ein Dampf des Arbeitsmediums ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    wobei 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.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
    wobei 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.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    wobei 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.
  9. 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,
    wobei die Abdampftemperatur auf einen definierten Abdampftemperaturwert (106) oberhalb des dem niedrigeren Druck (20) zugehörigen Sattdampftemperaturwerts (102) eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass überhitzter Dampf während des Schrittes des Expandierens zum Arbeitsmedium zugeführt wird.
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