EP4217594B1 - Vorrichtung und verfahren zur umwandlung von wärmeenergie - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur umwandlung von wärmeenergie Download PDF

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EP4217594B1
EP4217594B1 EP21772942.5A EP21772942A EP4217594B1 EP 4217594 B1 EP4217594 B1 EP 4217594B1 EP 21772942 A EP21772942 A EP 21772942A EP 4217594 B1 EP4217594 B1 EP 4217594B1
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EP
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turbine
pressure
valve
designed
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Gerhard P. FLEISCHER
Hermann Oberwalder
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Enerscale GmbH
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    • F05D2210/13—Kind or type mixed, e.g. two-phase fluid

Definitions

  • the invention relates to a device for converting thermal energy into mechanical energy by means of a cycle process with a heat exchanger, a storage for an operating medium, a feed line, a turbine and a return line with at least one feedback device according to claim 1.
  • the invention further relates to a method for converting thermal energy into mechanical energy in a cyclic process, wherein thermal energy is supplied to an operating medium in a storage tank, wherein the operating medium is evaporated and/or a pressure in the operating medium is increased, after which the operating medium releases energy in a turbine, after which the operating medium is returned to the storage tank according to claim 8.
  • Cyclic processes such as the Claudius-Rankine cycle are particularly well-known for converting heat into mechanical energy and, if necessary, further into electrical energy.
  • an energy carrier or operating medium undergoes a phase change, with water usually being used as the operating medium.
  • a variant of the Claudius-Rankine cycle uses a low-boiling liquid.
  • the DE 101 26 403 A1 describes a system with two pressure vessels, with a gas being used for buffering in one chamber above the operating medium.
  • the present invention is intended to avoid the disadvantages of the prior art and to provide a device which allows the use of energy sources with a low Temperature, for example from 40 °C, enables emission-free and efficient generation of mechanical energy and subsequently electrical energy and requires little equipment expenditure.
  • the first object is achieved according to the invention by a device of the type mentioned at the outset, in which the turbine is designed as a disc rotor turbine.
  • operating media can be used that have a low boiling point and can therefore absorb heat from around 40 °C, whereby waste heat or solar energy can also be used very cheaply as a heat source.
  • a disc turbine which is also known as a friction layer turbine or Tesla turbine
  • condensation of the operating medium can also take place in the turbine itself, which means that a separate condenser or second pressure vessel can be omitted.
  • the disc turbine used usually has several discs arranged next to each other in a housing so that they can rotate on an axis.
  • a jet of the operating medium usually water
  • the discs are then set in rotation around the axis by an adhesive force.
  • the jet is then slowed down by friction on the discs.
  • Side walls of the housing redirect the jet onto a circular path, which continues to drive the discs.
  • the speed of the jet is reduced, which cools the jet and causes condensation in the turbine.
  • the feedback device can in principle be designed in any way known from the state of the art, for example as a pump.
  • the turbine designed as a disk turbine, has several disks arranged next to one another in a housing so that they can rotate on an axis, with the surfaces of the disks being provided with microstructures. This makes it possible to achieve optimal properties of a surface friction layer to maintain a laminar flow.
  • the turbine designed as a disk turbine, has several disks arranged next to one another in a housing so that they can rotate on an axis, and in the housing has an inlet nozzle assembly with a geometry that allows the operating medium to be injected between the disks. This can prevent flow disturbances and losses caused by impact on the front sides of the disks.
  • the turbine designed as a disk turbine, has several disks arranged next to one another in a housing so that they can rotate on an axis, and in the housing has an inlet nozzle assembly with a geometry that enables a rotating jet of the operating medium to be generated. This produces a double helix jet that improves the surface friction layer effect.
  • a structure-borne sound measurement is integrated into the turbine to identify laminar and turbulent flow. This allows the cycle to be controlled in such a way that the flow in the turbine is largely laminar and losses due to turbulence are avoided. Control can be achieved, for example, by changing the flow through the turbine using an appropriate control device, in particular using a controllable valve.
  • a valve is provided for regulating a flow rate.
  • a valve position can then be used to control, for example, a speed of the turbine and/or an output electrical power can be regulated.
  • the flow rate can, for example, be regulated in such a way that a laminar flow is maintained in the turbine.
  • the turbine can be connected to a generator, in particular if it is connected to one. This means that the mechanical energy gained can be easily converted into electricity, whereby previously unused waste heat or solar thermal energy can be used for this purpose.
  • the generator can be integrated into the turbine. This makes the system more compact and connection problems between the turbine and generator can be avoided.
  • the storage tank for the operating medium can be connected to a heat source via a heat exchanger, particularly one located inside the storage tank. This allows the heat to be transferred to the operating medium very efficiently.
  • CO 2 is used as the operating medium. Due to the low evaporation temperature of CO 2, the thermal energy can be absorbed, for example from waste heat, even at low pressure. The CO 2 then evaporates, for example, while absorbing thermal energy in the storage tank, after which it is passed via the feed line to the turbine, in which the gaseous CO 2 condenses while releasing mechanical energy, after which the liquid CO 2 is transported by means of the feed-in device to the storage tank, which is under a higher pressure than the turbine outlet, in which in turn evaporation takes place by supplying heat.
  • the operating medium between the turbine outlet and the storage tank is in at least partially liquid, preferably exclusively liquid, form, especially since condensation can occur in the turbine.
  • the device is designed for a pressure of the operating medium at the turbine of more than 74 bar, preferably more than 100 bar. in particular to enable a supercritical state of the operating medium at the turbine.
  • a supercritical state can be achieved at low temperatures of, for example, 40 °C, which means that waste heat generated at correspondingly low temperatures can also be used.
  • the turbine or device is then preferably designed so that the operating medium condenses from the supercritical state into the gaseous and liquid states in the turbine.
  • At least one valve is provided between the turbine and the accumulator and the feedback device is designed to generate a force that changes over time on the operating medium in order to generate a pressure oscillation in the operating medium.
  • the feedback device can basically be designed in a variety of ways, for example as an electromechanical device with which a force or pressure with a defined amplitude and frequency can be applied to the operating medium, for example with an electromagnetically actuated membrane or an electromagnetically actuated piston.
  • the feedback device is designed to apply a force to the operating medium with a frequency of more than 1 Hz, in particular more than 10 Hz, preferably more than 100 Hz, particularly preferably more than 1000 Hz, in order to be able to excite a resonance frequency of the operating medium in the device.
  • the feedback device can also have a pressure measuring device with which, for example, a pressure in the operating medium between the turbine outlet and the storage device can be measured in order to, for example, iteratively determine a frequency at which a resonance of the operating medium exists and to specifically apply a force excitation with this frequency to the operating medium, so that high pressure amplitudes can be achieved with little effort in order to overcome the pressure difference between the storage device and the turbine in a simple manner.
  • a pressure measuring device with which, for example, a pressure in the operating medium between the turbine outlet and the storage device can be measured in order to, for example, iteratively determine a frequency at which a resonance of the operating medium exists and to specifically apply a force excitation with this frequency to the operating medium, so that high pressure amplitudes can be achieved with little effort in order to overcome the pressure difference between the storage device and the turbine in a simple manner.
  • the feedback device is designed as a resonance pipe system. This makes it easy to set the operating medium into oscillation, preferably into an oscillation with a resonance frequency, and thus overcome a pressure difference between a return line of the turbine and a feed line between the storage for the operating medium and the turbine.
  • At least one valve is usually provided between the turbine outlet and the reservoir, which only allows flow from the turbine outlet to the reservoir and prevents flow in the opposite direction.
  • a valve can also be referred to as a one-way valve.
  • This valve can also be used to regulate a flow rate, although a separate valve or other control device can also be provided for this purpose.
  • At least one valve for controlling the flow direction of the operating medium is provided before or after the feedback device, wherein the at least one valve is preferably designed as a valve without moving parts. This can support the longevity and low maintenance requirements of the system.
  • Tesla valve which has no moving parts, whereby a valve effect is achieved by the fact that a flow through the valve in different directions has a different flow resistance, so that practically only flow in one direction is possible.
  • a favorable variant is when the feedback device has a spring-loaded, non-damped mass, for example a piston or a membrane, whereby the mass can alternatively also be damped.
  • the vibration can be favorably excited and brought into resonance, whereby an amplitude increases and thus a pressure difference between a return line of the turbine and a supply line between the storage for the operating medium and the turbine can be overcome.
  • the feedback device generates vibrations or oscillations in the operating medium with a frequency of a few Hz up to 10 kHz.
  • the vibrations are generated by supplied energy, which is used to cyclically drive a piston or a diaphragm, for example.
  • the feedback device has field coils that generate a magnetic or electromagnetic field, whereby these can be located inside a closed volume or outside a closed volume.
  • These field coils which are fed with electrical energy, can be used to control the generation of vibrations and resonance very well, especially when a magnetic fluid is used as the operating medium. This makes it possible to overcome a pressure difference between a return line of the turbine and a supply line between the storage for the operating medium and the turbine.
  • the closed volume on which the field coils act can, for example, be a section of the return line or a connecting line between the turbine outlet and the storage tank in order to generate vibrations in the operating medium.
  • a magnetic medium can be used as the operating medium for this purpose.
  • the vibration can also be introduced indirectly into the operating medium through a magnetic medium.
  • the field coils can thus be arranged in a return line that connects the turbine outlet and the storage unit, or outside this return line in order to act on a medium in the return line, which is preferably designed as a magnetic medium or magnetic fluid.
  • a medium in the return line which is preferably designed as a magnetic medium or magnetic fluid.
  • magnetic particles a few nanometers in size can be added to the operating medium, for example.
  • the further object is achieved according to the invention by a method of the type mentioned at the outset, wherein condensation of the operating medium takes place in the turbine.
  • a disc turbine is usually used for this, which is also known as a friction layer turbine, boundary layer turbine or Tesla turbine.
  • CO2 is advantageous to use as the operating medium. This means that heat sources with very low temperatures can also be used.
  • the operating medium in particular CO 2
  • the pressure in the storage tank can therefore be, for example, 72 bar in order to absorb heat at a temperature of, for example, 40 °C while the operating medium evaporates.
  • the pressure at the turbine outlet is generally lower than in the storage tank.
  • the operating medium can therefore be in liquid form at the turbine outlet, for example, at a pressure of around 64 bar and 20 °C.
  • the operating medium reaches a supercritical state, in particular at a pressure of more than 74 bar, preferably at a pressure of more than 100 bar, and condensation from the supercritical state into a gaseous state and into a liquid state takes place in the turbine. This is possible even at comparatively low temperatures, particularly when using CO 2 as the operating medium, so that waste heat generated at low temperatures can be used.
  • pressure and temperature are measured in a return line and compared with a pressure and temperature in a supply line, with a flow rate of the operating medium in the return line being regulated by a valve arranged in the return line, very good load control can be achieved in a particularly favorable manner while at the same time being low in complexity.
  • the flow rate is usually regulated by means of a valve, which is preferably arranged between the turbine outlet and the storage tank.
  • the operating medium is returned from the turbine to the storage tank by increasing the pressure of the operating medium by means of a feedback device with which a time-varying force is applied to the operating medium.
  • a valve is provided in a return line between the turbine outlet and the accumulator, so that with each pressure oscillation in which an amplitude exceeds a pressure in the accumulator, operating medium is pumped into the accumulator, but due to the valve there is no backflow from the accumulator to the turbine outlet.
  • the operating medium is set into oscillation by the feedback device, in particular into an oscillation with a resonance frequency of the operating medium. This makes it particularly easy and inexpensive to overcome the pressure difference between a return line of the turbine and a supply line between the storage tank for the operating medium and the turbine.
  • the operating medium is usually only in liquid form in one area of the feedback device, which is why a resonance frequency is usually more than 1 kHz.
  • a resonance tube system In order to generate a favorable oscillation of the operating medium, a resonance tube system, a spring-loaded and possibly damped mass or a magnetic fluid that is set into vibration by an alternating magnetic field are provided. External energy is usually used to generate the vibrations, although the vibrations can of course also be generated with energy generated by the turbine or a generator connected to the turbine.
  • Fig.1 shows a diagram of a device 1 according to the invention for carrying out a cycle process according to the invention, wherein heat is converted into mechanical energy and further into electrical energy.
  • the device 1 essentially consists of a turbine 2, a storage tank 3 for the operating medium, a heat exchanger 4, a flow line 5 between the storage tank 3 and the turbine 2 to convey an operating medium from the storage tank 3 to the turbine 2, a return line 6 after the turbine 2 to convey the operating medium back from a turbine outlet to the storage tank 3, a valve 7 for regulating a flow rate.
  • a pressure sensor 8 is provided with which the valve 7 can be controlled.
  • a feedback device 9 is provided in the return line 6.
  • CO 2 is the preferred operating medium because it has a low boiling point.
  • the critical point is at 31 °C and 73.9 bar.
  • a phase transition from liquid to gaseous CO 2 occurs at a pressure of around 72 bar and a temperature of just 30 °C, meaning that a phase transition can be used to absorb and release energy even when heat is supplied at low temperatures.
  • the operating medium in the storage tank can be at a pressure of 72 bar, with waste heat at a temperature of 40 °C being supplied to it via the heat exchanger.
  • the operating medium evaporates, after which it is expanded in the turbine to a pressure of around 64 bar, cooled to an ambient temperature of, for example, 20 °C and completely condensed, with work being released via the turbine.
  • the operating medium is present in the storage (3) at a pressure of more than 74 bar, for example at about 100 bar, and reaches a supercritical state by supplying heat, from which it condenses completely in the turbine (2) into a gaseous state and simultaneously or subsequently into a liquid state.
  • an at least partial phase transition of the operating medium into a solid state takes place in the turbine, for example at a temperature of 20 °C, so that dry ice particles are formed, which are also unproblematic for the turbine (2) due to the use of a disk rotor turbine.
  • the heat from a heat source 10 is supplied to the operating medium via a heat exchanger 4 arranged in the storage tank 3.
  • Either primary energy can be used, but preferably waste heat, for example from an industrial process with a temperature of approx. 40 °C.
  • heat sources 10 with a lower temperature can also be used.
  • Solar energy can also be used particularly cheaply.
  • a disc turbine is used as turbine 2. This is also known as a friction layer turbine, boundary layer turbine 2 or Tesla turbine 2.
  • This disc turbine has several discs arranged next to each other on an axis, which are arranged in a housing with side walls, an inlet opening and an outlet opening.
  • a jet of the operating medium previously mostly water, is directed parallel to the discs onto these discs through the inlet opening.
  • An adhesive force sets the discs in motion around the axis.
  • the jet is slowed down by friction.
  • the jet is deflected by the side walls onto a circular path and continues to drive the discs. Since only the bearings of the axis have to have low tolerances and no heavy-duty materials are required, production costs are also low and a long service life can be expected. Since the condensation of the operating medium in the turbine 2 creates a higher viscosity, the discs are also driven more strongly. In conventional turbines 2 with blades, condensation would severely damage these blades. Energy is then generated by reducing the pressure of the operating medium in
  • the pressure and temperature are measured at the turbine outlet in the return line 6 and compared with the pressure and temperature in the flow line 5.
  • the cycle can then be controlled via a valve 7 arranged in the return line 6 to control the flow rate. This enables very good load control with low complexity.
  • the operating medium is then fed after the valve 7 to a feedback device 9, which is designed here as a pump.
  • the feedback device 9 is designed to cause the operating medium to oscillate in order to overcome a pressure difference between the turbine outlet and the accumulator 3.
  • Fig.2 shows a device 1 according to the invention with a feedback device 9 designed as a resonance tube 11.
  • a fluid column of the operating medium can oscillate back and forth in a volume 12 in a tube-like shape and thus, for example, be in natural resonance and thus, in conjunction with a valve, overcome the pressure difference between the return line 6 of the turbine 2 and the feed line 5 between the storage 3 for the operating medium and the turbine 2.
  • Vibration excitation can be carried out, for example, by an electromagnetically driven membrane.
  • a further variant of a device 1 according to the invention with a spring-loaded mass 13 is shown.
  • this mass 13 which can be a membrane, for example also a piston
  • the vibrations in the operating medium are excited and the operating medium in the volume is brought into resonance, which causes the amplitude to increase accordingly.
  • the closed volume 12 is shown as a cylinder in which the mass 13 can vibrate by means of a spring 14.
  • the vibrations are generated by using external energy, for example electromechanical energy.
  • Fig.4 shows a device 1 similar to that in Fig.3 shown.
  • the mass 13 is prevented from excessive amplitudes, which could have negative effects on the system, by means of a damper 15. Nevertheless, a pressure difference between the return line 6 of the turbine 2 and the flow line 5 between the storage 3 for the operating medium and the turbine 2 can also be easily overcome here.
  • Fig.5 Another possibility to generate an oscillation is in Fig.5
  • the oscillation is generated by means of a magnetic fluid, which is guided through field coils 16 in Oscillations are made, whereby an alternating electromagnetic field can be generated with the field coils 16.
  • valve 7 which is only used here to regulate the flow rate, and the feedback device 9.
  • valve 7 which is only used here to regulate the flow rate
  • the flow direction in the device 1 can of course also be ensured by an appropriately designed valve 7, so that no additional one-way valve 17 is required.
  • the one-way valve 17, like the valve 7, can of course also be provided after the feedback device 9 or between the feedback device 9 and the storage device 3.
  • the field coils 16 are arranged within a closed volume 12.
  • FIG.6 A similar variant is in Fig.6 shown, where in contrast to Fig.5 the field coils 16 are arranged outside the closed volume 12, for example a cylinder. Since the electromagnetic field generated by the field coils 16 can penetrate into the volume 12, vibration excitation of the magnetic fluid is also possible here.
  • waste heat can be converted into electrical energy under economically favorable conditions.
  • industrial waste heat in the temperature range from approx. 40 °C to over 300 °C can be used to generate electricity.
  • Solar heat can also be used to generate additional electricity. Because the system is essentially closed, it can also be used cheaply and advantageously in remote areas without connection to other energy supply lines.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie mittels eines Kreisprozesses mit einem Wärmetauscher, einem Speicher für ein Betriebsmedium, einer Vorlaufleitung, einer Turbine und einer Rücklaufleitung mit mindestens einer Rückspeiseeinrichtung gemäß Anspruch 1.
  • Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie in einem Kreisprozess, wobei einem Betriebsmedium in einem Speicher Wärmeenergie zugeführt wird, wobei das Betriebsmedium verdampft und/oder ein Druck im Betriebsmedium erhöht wird, wonach das Betriebsmedium in einer Turbine Energie abgibt, wonach das Betriebsmedium in den Speicher rückgeführt wird gemäß Anspruch 8.
  • Zur Umwandlung von Wärme in mechanische Energie und allenfalls weiter in elektrische Energie sind insbesondere Kreisprozesse wie ein Claudius-Rankine-Kreisprozess bekannt. Hierbei vollzieht ein Energieträger- oder Betriebsmedium einen Phasenwechsel, wobei im Regelfall Wasser als Betriebsmedium eingesetzt wird. Eine Variante des Claudius-Rankine-Kreisprozesses verwendet eine niedrig siedende Flüssigkeit. Auch gibt es eine Betriebsweise mit superkritischem Zustand des Betriebsmediums. Das heißt, es wird der superkritische Zustand des Betriebsmediums nicht verlassen und es gibt im System somit keinen Phasenwechsel, wodurch auch der Kondensationseffekt nicht ausgenutzt wird. Aufgrund eines somit erreichten einphasigen Kreislaufs muss dabei viel Arbeit zum Zurückpumpen des Mediums in einen Speisetank bzw. Speicher aufgebracht werden, was einem Gesamtwirkungsgrad der Anlage abträglich ist.
  • Auch ist beispielsweise aus der EP 3 056 694 A1 ein Kreisprozess bekannt, der mit Kältemitteln arbeitet und mindestens zwei beheizte Druckbehälter und eine weitere Wärmequelle als thermische Kondensatpumpe aufweist.
  • Die DE 101 26 403 A1 beschreibt ein System mit zwei Druckbehältern, wobei jeweils in einer Kammer oberhalb des Betriebsmediums ein Gas zur Pufferung eingesetzt wird.
  • Aus der EP2415976 A1 und aus der CN102817799A sind weitere Wärmekraftmaschinen bekannt.
  • Die vorliegende Erfindung soll die Nachteile des Standes der Technik vermeiden und eine Vorrichtung angeben, welche den Einsatz von Energiequellen mit einer niedrigen Temperatur, beispielsweise ab 40 °C, zur emissionsfreien und effizienten Erzeugung von mechanischer Energie und in weiterer Folge elektrischer Energie ermöglicht und einen geringen apparativen Aufwand erfordert.
  • Weiter soll ein entsprechendes Verfahren angegeben werden.
  • Die erste Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, bei der die Turbine als Scheibenläuferturbine ausgestaltet ist.
  • Bei einer derartigen Vorrichtung können Betriebsmedien verwendet werden, die einen niedrigen Siedepunkt aufweisen und somit auch Wärme ab ca. 40 °C aufnehmen können, wobei dadurch sehr günstig auch Abwärme oder Solarenergie als Wärmequelle eingesetzt werden können. So kann durch den Einsatz einer Scheibenläuferturbine, die auch als Reibschichtturbine oder Tesla-Turbine bezeichnet wird, eine Kondensation des Betriebsmediums auch in der Turbine selbst erfolgen, wodurch ein separater Kondensator oder zweiter Druckbehälter entfallen kann.
  • Die eingesetzte Scheibenläuferturbine weist üblicherweise mehrere nebeneinander auf einer Achse drehbar angeordnete Scheiben in einem Gehäuse auf. Ein Strahl des Betriebsmediums, üblicherweise Wasser, wird vorzugsweise parallel zu den Scheiben auf diese Scheiben durch eine Eintrittsöffnung im Gehäuse geleitet. Durch eine Adhäsionskraft werden die Scheiben dann in Rotationsbewegung um die Achse versetzt. Weiter wird der Strahl durch eine Reibung an den Scheiben abgebremst. Seitenwände des Gehäuses lenken den Strahl auf eine Kreisbahn um, wobei die Scheiben weiter angetrieben werden. Dabei wird eine Geschwindigkeit des Strahles reduziert, wodurch der Strahl abkühlt und eine Kondensation in der Turbine erfolgt.
  • Da durch die Kondensation des Betriebsmediums eine höhere Viskosität entsteht, werden dadurch auch die Scheiben stärker angetrieben. Bei üblichen Turbinen mit Schaufeln würde eine Kondensation diese Schaufeln stark beschädigen.
  • Nachdem dabei keine hochbelastbaren Materialien benötigt werden, sind auch die Produktionskosten niedrig und wird eine hohe Lebensdauer erreicht.
  • Die Rückspeiseeinrichtung kann grundsätzlich auf jede aus dem Stand der Technik bekannte Weise ausgebildet sein, beispielsweise als Pumpe.
  • Günstig ist es, wenn die als Scheibenläuferturbine ausgestaltete Turbine mehrere nebeneinander auf einer Achse drehbar angeordnete Scheiben in einem Gehäuse aufweist, wobei die Oberflächen der Scheiben mit Mikrostrukturen versehen sind. Dadurch können optimale Eigenschaften einer Oberflächenreibschicht zur Aufrechterhaltung einer laminaren Strömung erzielt werden.
  • Besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn die als Scheibenläuferturbine ausgestaltete Turbine mehrere nebeneinander auf einer Achse drehbar angeordnete Scheiben in einem Gehäuse und im Gehäuse einen Einlassdüsenstock mit einer Geometrie, die ein Einspritzen des Betriebsmediums zwischen die Scheiben ermöglicht, aufweist. Damit können Störungen der Strömung und entstehende Verluste durch ein Aufprallen auf die Stirnseiten der Scheiben vermieden werden.
  • Weiter hat sich günstig erwiesen, wenn die als Scheibenläuferturbine ausgestaltete Turbine mehrere nebeneinander auf einer Achse drehbar angeordnete Scheiben in einem Gehäuse und im Gehäuse einen Einlassdüsenstock mit einer Geometrie, die eine Erzeugung eines rotierenden Strahles des Betriebsmediums ermöglicht, aufweist. Dadurch erhält man einen Doppelhelixstrahl, der einen Oberflächenreibschichteffekt verbessert.
  • Mit Vorteil ist vorgesehen, dass in die Turbine eine Körperschallmessung zur Identifikation von laminarer und turbulenter Strömung integriert ist. Damit kann der Kreisprozess so gesteuert werden, dass in der Turbine weitestgehend eine laminare Strömung vorliegt und somit Verluste durch Verwirbelungen vermieden werden. Eine Steuerung kann beispielsweise erfolgen, indem ein Durchfluss durch die Turbine mittels einer entsprechenden Steuereinrichtung, insbesondere mittels eines steuerbaren Ventils, geändert wird.
  • Zur Steuerung des Kreisprozesses ist bevorzugt vorgesehen, dass ein Ventil zur Regelung einer Durchflussmenge vorgesehen ist. Es kann dann mittels einer Ventilstellung beispielsweise eine Drehzahl der Turbine und/oder eine abgegebene elektrische Leistung geregelt werden. Die Durchflussmenge kann beispielsweise derart geregelt werden, dass eine laminare Strömung in der Turbine aufrechterhalten wird.
  • Günstig ist es, wenn die Turbine mit einem Generator verbindbar, insbesondere verbunden, ist. Dadurch kann gewonnene mechanische Energie in einfacher Weise in Strom umgewandelt werden, wobei hierzu bisher ungenutzte Abwärme oder Solarwärmeenergie eingesetzt werden kann.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Generator in die Turbine integrierbar, insbesondere integriert, ist. Dadurch wird die Anlage kompakter und es können Verbindungsprobleme zwischen Turbine und Generator vermieden werden.
  • Als günstig hat sich erwiesen, wenn der Speicher für das Betriebsmedium über einen insbesondere im Inneren des Speichers liegenden Wärmetauscher mit einer Wärmequelle verbindbar ist. Damit kann sehr günstig die Wärme auf das Betriebsmedium übertragen werden.
  • Bevorzugt ist vorgesehen, dass als Betriebsmedium CO2 eingesetzt ist. Durch die niedrige Verdampfungstemperatur von CO2 kann schon bei einem niedrigen Druck die Wärmeenergie beispielsweise aus Abwärme aufgenommen werden. Das CO2 verdampft dann beispielweise unter Aufnahme von Wärmeenergie im Speicher, wonach es über die Vorlaufleitung zur Turbine gelangt, in welcher das gasförmige CO2 unter Abgabe von mechanischer Energie kondensiert, wonach das flüssige CO2 mittels der Rückspeiseeinrichtung in den unter einem höheren Druck als der Turbinenausgang stehenden Speicher transportiert wird, in welche wiederum eine Verdampfung durch Wärmezufuhr erfolgt.
  • In der Regel liegt das Betriebsmedium zwischen dem Turbinenausgang und dem Speicher in zumindest teilweise flüssiger, vorzugsweise ausschließlich flüssiger, Form vor, zumal eine Kondensation in der Turbine erfolgen kann.
  • Es hat sich bewährt, dass die Vorrichtung für einen Druck des Betriebsmediums an der Turbine von mehr als 74 bar, vorzugsweise mehr als 100 bar. ausgebildet ist, um insbesondere einen superkritischen Zustand des Betriebsmediums an der Turbine zu ermöglichen.
  • Insbesondere bei Einsatz von CO2 als Betriebsmedium kann dann ein superkritischer Zustand bereits bei niedrigen Temperaturen von beispielsweise 40 °C erreicht werden, wodurch auch bei entsprechend niedrigen Temperaturen anfallende Abwärme genutzt werden kann. Bevorzugt ist die Turbine bzw. die Vorrichtung dann dazu ausgelegt, dass eine Kondensation des Betriebsmediums vom superkritischen Zustand in den gasförmigen und in den flüssigen Zustand in der Turbine erfolgt.
  • Günstig ist es, wenn zwischen der Turbine und dem Speicher zumindest ein Ventil vorgesehen ist und die Rückspeiseeinrichtung zur Erzeugung einer zeitlich wechselnden Kraft auf das Betriebsmedium ausgebildet ist, um im Betriebsmedium eine Druckschwingung zu erzeugen. Durch Aufbringung einer Kraft- bzw. Druckschwingung auf das Betriebsmedium zwischen dem Turbinenausgang und dem Speicher kann das Betriebsmedium in eine Schwingung bzw. Oszillation versetzt werden, wobei insbesondere in einem Bereich einer Resonanzfrequenz des Betriebsmediums ein Aufschwingen erfolgt und somit besonders hohe Druckamplituden erreichbar sind. Mit einer derartigen Druckamplitude kann eine Druckdifferenz zwischen dem Speicher und dem Turbinenausgang überwunden werden, sodass das Medium auf besonders effiziente Weise in den Speicher bzw. auf ein höheres Druckniveau gefördert werden kann, und zwar auch dann, wenn das Medium bereits ab dem Turbinenausgang in ausschließlich flüssiger Form vorliegt, also wenn eine vollständige Kondensation in der Turbine erfolgt. Dadurch kann mit der Vorrichtung ein Verfahren mit einem besonders hohen Wirkungsgrad umgesetzt werden.
  • Die Rückspeiseeinrichtung kann grundsätzlich auf verschiedenste Weisen ausgebildet sein, beispielsweise als elektromechanische Einrichtung, mit welcher eine Kraft bzw. ein Druck mit definierter Amplitude und Frequenz auf das Betriebsmedium aufbringbar ist, beispielsweise mit einer elektromagnetisch betätigten Membrane oder einem elektromagnetisch betätigten Kolben.
  • Bevorzugt ist mit der Rückspeiseeinrichtung eine Kraft auf das Betriebsmedium mit einer Frequenz von mehr als 1 Hz, insbesondere mehr als 10 Hz, vorzugsweise mehr als 100 Hz, besonders bevorzugt mehr als 1000 Hz, aufbringbar, um eine Resonanzfrequenz des Betriebsmediums in der Vorrichtung anregen zu können.
  • Die Rückspeiseeinrichtung kann auch eine Druckmesseinrichtung aufweisen, mit welcher beispielsweise ein Druck im Betriebsmedium zwischen dem Turbinenausgang und dem Speicher messbar ist, um beispielsweise iterativ eine Frequenz zu bestimmen, bei welcher eine Resonanz des Betriebsmediums vorliegt und gezielt eine Kraftanregung mit dieser Frequenz auf das Betriebsmedium aufzubringen, sodass hohe Druckamplituden mit geringem Aufwand erreichbar sind, um die Druckdifferenz zwischen Speicher und Turbine auf einfache Weise zu überwinden.
  • Mit Vorteil ist vorgesehen, dass die Rückspeiseeinrichtung als ein Resonanzrohrsystem ausgebildet ist. Dadurch kann das Betriebsmedium in einfacher Weise in Oszillation versetzt werden, vorzugsweise in eine Oszillation mit einer Resonanzfrequenz, und damit eine Druckdifferenz zwischen einer Rücklaufleitung der Turbine und einer Vorlaufleitung zwischen dem Speicher für das Betriebsmedium und der Turbine überwunden werden.
  • Um ein Zurückströmen des Betriebsmediums vom Speicher zum Turbinenausgang zu vermeiden, ist zwischen dem Turbinenausgang und dem Speicher üblicherweise mindestens ein Ventil vorgesehen, welches nur eine Strömung vom Turbinenausgang zum Speicher zulässt und eine Strömung in entgegengesetzter Richtung verhindert. Ein solches Ventil kann auch als Einwegventil bezeichnet werden. Dieses Ventil kann auch zur Regelung einer Durchflussmenge eingesetzt werden, wenngleich auch ein gesondertes Ventil oder eine andere Steuereinrichtung hierfür vorgesehen sein kann.
  • Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass vor oder nach der Rückspeiseeinrichtung mindestens ein Ventil zur Steuerung der Fließrichtung des Betriebsmediums vorgesehen ist, wobei das mindestens eine Ventil vorzugsweise als Ventil ohne bewegliche Teile ausgeführt ist. Damit kann eine Langlebigkeit und eine geringe Wartungsanforderung des Systems unterstützt werden.
  • Besonders bevorzugt wird hierbei ein sogenanntes Teslaventil eingesetzt, welches keine beweglichen Teile aufweist, wobei eine Ventilwirkung dadurch erreicht wird, dass eine Durchströmung des Ventils in unterschiedlichen Richtungen einen unterschiedlichen Strömungswiderstand aufweist, sodass praktisch nur eine Strömung in einer Richtung möglich ist.
  • Eine günstige Variante ist es, wenn die Rückspeiseeinrichtung eine gefederte nicht gedämpfte Masse, beispielsweise einen Kolben oder eine Membrane, aufweist, wobei die Masse auch alternativ gedämpft sein kann. Mit einer derartigen Masse in einem abgeschlossenen Volumen kann günstig die Schwingung angeregt und in Resonanz gebracht werden, wobei eine Amplitude ansteigend verläuft und damit eine Druckdifferenz zwischen einer Rücklaufleitung der Turbine und einer Vorlaufleitung zwischen dem Speicher für das Betriebsmedium und der Turbine überwunden werden kann.
  • Üblicherweise werden mit der Rückspeiseeinrichtung im Betriebsmedium Schwingungen bzw. Oszillationen mit einer Frequenz von einigen Hz bis zu 10 kHz erzeugt. Die Schwingungen werden durch zugeführte Energie erzeugt, mit welcher beispielsweise ein Kolben oder eine Membrane zyklisch angetrieben werden.
  • Eine vorteilhafte alternative Variante der Vorrichtung besteht darin, dass die Rückspeiseeinrichtung Feldspulen, die ein magnetisches bzw. elektromagnetisches Feld erzeugen, aufweist, wobei sich diese in einem Inneren eines abgeschlossenen Volumens oder außerhalb eines abgeschlossenen Volumens befinden können. Durch diese Feldspulen, die mit elektrischer Energie gespeist werden, lässt sich die Erzeugung von Schwingungen und einer Resonanz sehr gut regeln, insbesondere wenn als Betriebsmedium ein magnetisches Fluid eingesetzt wird. Damit kann eine Druckdifferenz zwischen einer Rücklaufleitung der Turbine und einer Vorlaufleitung zwischen dem Speicher für das Betriebsmedium und der Turbine günstig überwunden werden.
  • Das abgeschlossene Volumen, auf welches die Feldspulen wirken, kann beispielsweise ein Abschnitt der Rücklaufleitung bzw. einer Verbindungsleitung zwischen Turbinenausgang und Speicher sein, um dort Schwingungen im Betriebsmedium zu erzeugen. Hierzu kann als Betriebsmedium ein magnetisches Medium eingesetzt werden. Alternativ kann die Schwingung auch mittelbar durch ein magnetisches Medium in das Betriebsmedium eingeleitet werden.
  • Die Feldspulen können somit in einer Rücklaufleitung, welche den Turbinenausgang und den Speicher verbindet, oder außerhalb dieser Rücklaufleitung angeordnet sein, um auf ein in der Rücklaufleitung befindliches Medium zu wirken, welches bevorzugt als magnetisches Medium bzw. magnetisches Fluid ausgebildet ist. Hierzu können dem Betriebsmedium beispielsweise weniger Nanometer große magnetische Partikel beigemengt sein.
  • Die weitere Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, wobei in der Turbine eine Kondensation des Betriebsmediums erfolgt.
  • Damit kann auch eine Kondensationsenergie gewonnen werden, wodurch ein besonders hoher Wirkungsgrad auch bei niedrigen Temperaturen erreichbar ist. Üblicherweise wird hierbei eine Scheibenläuferturbine eingesetzt, welche auch als Reibschichtturbine, Boundary-Layer-Turbine oder Tesla-Turbine bekannt ist.
  • Mit Vorteil wird als Betriebsmedium CO2 eingesetzt. Damit können auch Wärmequellen mit sehr niedrigen Temperaturen genutzt werden.
  • Günstig ist es, wenn das Betriebsmedium, insbesondere CO2 die Wärmeenergie unter einem Druck von bis zu 73 bar, vorzugsweise 65 bar bis 73 bar, aufnimmt und dabei verdampft. Ein Druck im Speicher kann somit beispielsweise 72 bar betragen, um unter Verdampfung des Betriebsmediums Wärme bei einer Temperatur von beispielsweise 40 °C aufzunehmen. Am Turbinenausgang ist ein Druck in aller Regel geringer als im Speicher. So kann das Betriebsmedium am Turbinenausgang beispielsweise bei einem Druck von etwa 64 bar und 20 °C in flüssiger Form vorliegen.
  • Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass das Betriebsmedium einen superkritischen Zustand erreicht, insbesondere bei einem Druck von mehr als 74 bar, vorzugsweise bei einem Druck von mehr als 100 bar, und in der Turbine eine Kondensation vom superkritischen Zustand in einen gasförmigen Zustand und in einen flüssigen Zustand erfolgt. Dies ist insbesondere bei Einsatz von CO2 als Betriebsmedium bereits bei vergleichsweise geringen Temperaturen möglich, sodass hier bei niedrigen Temperaturen anfallende Abwärme genutzt werden kann.
  • Auch bei Erreichen eines superkritischen Zustandes ist vorgesehen, dass in der Turbine eine vollständige Kondensation des Betriebsmediums in den flüssigen, gegebenenfalls auch zumindest teilweise in den festen, Zustand erfolgt.
  • Wenn in einer Rücklaufleitung Druck und Temperatur gemessen und mit einem Druck und einer Temperatur in einer Vorlaufleitung verglichen werden, wobei eine Durchflussmenge des Betriebsmediums in der Rücklaufleitung durch ein in der Rücklaufleitung angeordnetes Ventil geregelt wird, kann besonders günstig eine sehr gute Lastregelung bei gleichzeitig geringer Komplexität erreicht werden. Hierzu wird üblicherweise die Durchflussmenge mittels eines Ventils geregelt, welches bevorzugt zwischen dem Turbinenausgang und dem Speicher angeordnet ist.
  • Günstig ist es, wenn eine Rückführung des Betriebmediums von der Turbine in den Speicher unter Druckerhöhung des Betriebsmediums mittels einer Rückspeiseeinrichtung erfolgt, mit welcher eine zeitlich wechselnde Kraft auf das Betriebsmedium aufgebracht wird.
  • Üblicherweise ist in einer Rücklaufleitung zwischen Turbinenausgang und Speicher ein Ventil vorgesehen, sodass bei jeder Druckschwingung, bei welcher eine Amplitude einen Druck im Speicher überschreitet, Betriebsmedium in den Speicher gefördert wird, jedoch aufgrund des Ventils kein Rückfluss vom Speicher zum Turbinenausgang erfolgt.
  • Dadurch kann eine Druckdifferenz zwischen Turbine und Speicher auf einfache Weise überwunden werden, sodass ein besonders hoher Wirkungsgrad erreicht wird und auch eine Nutzung von Abwärme bei einer Temperatur von beispielsweise 40 °C möglich ist. Besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, dass das Betriebsmedium durch die Rückspeiseeinrichtung in Oszillation versetzt wird, insbesondere in eine Schwingung mit einer Resonanzfrequenz des Betriebsmediums. Damit kann die Druckdifferenz zwischen einer Rücklaufleitung der Turbine und einer Vorlaufleitung zwischen dem Speicher für das Betriebsmedium und der Turbine besonders günstig und einfach überwunden werden. Üblicherweise liegt das Betriebsmedium in einem Bereich der Rückspeiseeinrichtung in ausschließlich flüssiger Form vor, weswegen eine Resonanzfrequenz in der Regel bei mehr als 1 kHz liegt.
  • Um eine günstige Oszillation des Betriebsmediums zu erzeugen sind durch ein Resonanzrohrsystem, eine gefederte und gegebenenfalls gedämpfte Masse oder durch ein magnetisches Fluid gegeben, welches durch ein magnetisches Wechselfeld in Schwingungen versetzt wird. Zur Erzeugung der Schwingungen wird in der Regel Fremdenergie eingesetzt, wobei die Schwingungen natürlich auch mit Energie erzeugt werden können, die mittels der Turbine bzw. eines mit der Turbine verbundenen Generators erzeugt wird.
  • Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispiele. In den Zeichnungen, auf welche dabei Bezug genommen wird, zeigen:
    • Fig.1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung;
    • Fig.2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit Resonanzrohrsystem;
    • Fig.3 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit gefederter nicht gedämpfter Masse;
    • Fig.4 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit gefederter und gedämpfter Masse;
    • Fig.5 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit Feldspulen innerhalb eines abgeschlossenen Volumens;
    • Fig.6 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit Feldspulen außerhalb eines abgeschlossenen Volumens.
  • Fig. 1 zeigt ein Schema einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Kreisprozesses, wobei Wärme in mechanische Energie und weiter in elektrische Energie umgewandelt wird.
  • Die Vorrichtung 1 besteht im Wesentlichen aus einer Turbine 2, einem Speicher 3 für das Betriebsmedium, einem Wärmetauscher 4, einer Vorlaufleitung 5 zwischen Speicher 3 und Turbine 2, um ein Betriebsmedium vom Speicher 3 zur Turbine 2 zu fördern, einer Rücklaufleitung 6 nach der Turbine 2, um das Betriebsmedium von einem Turbinenausgang zum Speicher 3 zurück zu fördern, einem Ventil 7 zur Regelung eines Durchflusses.
  • Ferner ist ein Drucksensor 8 vorgesehen, mit welchem das Ventil 7 gesteuert werden kann.
  • Um das Betriebsmedium vom Turbinenausgang zum Speicher 3 zu fördern, wobei im Speicher 3 ein höherer Druck als am Turbinenausgang vorherrscht, ist in der Rücklaufleitung 6 eine Rückspeiseeinrichtung 9 vorgesehen.
  • Als Betriebsmedium wird bevorzugt CO2 eingesetzt, da es einen niedrigen Siedepunkt aufweist. Der kritische Punkt liegt bei 31 °C und 73,9 bar. Ein Phasenübergang zwischen flüssig und gasförmig erfolgt bei CO2 bereits bei einem Druck etwa 72 bar bei einer Temperatur von nur 30 °C, wodurch ein Phasenübergang zur Energieaufnahme und - abgabe auch bei einer bei niedrigen Temperaturen zugeführten Wärme genutzt werden kann. So kann das Betriebsmedium im Speicher beispielsweise bei einem Druck von 72 bar vorliegen, wobei diesem mittels des Wärmetausches Abwärme bei einer Temperatur von 40 °C zugeführt wird, wobei das Betriebsmedium verdampft, wonach es in der Turbine auf einen Druck von etwa 64 bar entspannt wird, dabei auf Umgebungstemperatur von beispielsweise 20 °C abkühlt und vollständig kondensiert, wobei über die Turbine Arbeit abgegeben wird.
  • Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass das Betriebsmedium bei einem Druck von mehr als 74 bar, beispielsweise bei etwa 100 bar, im Speicher (3) vorliegt und durch eine Wärmezufuhr einen superkritischen Zustand erreicht, von welchem es in der Turbine (2) vollständig in einen gasförmigen Zustand und gleichzeitig oder anschließend in einen flüssigen Zustand kondensiert.
  • Bei entsprechenden Druckverhältnissen in der Vorrichtung (1) kann auch vorgesehen sein, dass in der Turbine ein zumindest teilweiser Phasenübergang des Betriebsmediums in einen festen Zustand beispielsweise bei einer Temperatur von 20 °C erfolgt, sodass sich Trockeneispartikel bilden, welche aufgrund des Einsatzes einer ScheibenläuferTurbine ebenfalls unproblematisch für die Turbine (2) sind. Dadurch kann auch eine bei einer geringen Temperatur von beispielsweise nur 40 °C anfallende Wärme zur Stromerzeugung genutzt werden.
  • Es können natürlich auch andere Betriebsmedien wie Kältemittel eingesetzt werden, beispielsweise R744 oder R134a.
  • Die Wärme aus einer Wärmequelle 10 wird dem Betriebsmedium über einen im Speicher 3 angeordneten Wärmetauscher 4 zugeführt. Dabei kann entweder Primärenergie, aber bevorzugt Abwärme beispielsweise aus einem industriellen Prozess mit einer Temperatur von ca. 40 °C eingesetzt werden. Es können aber auch Wärmequellen 10 mit einer niedrigeren Temperatur genutzt werden. Speziell günstig kann damit auch Solarenergie genutzt werden.
  • Als Turbine 2 wird eine Scheibenläuferturbine eingesetzt. Diese ist auch unter Reibschichtturbine, Boundary-Layer-Turbine 2 oder Tesla-Turbine 2 bekannt. Diese Scheibenläuferturbine weist mehrere nebeneinander auf einer Achse drehbar angeordnete Scheiben auf, welche in einem Gehäuse mit Seitenwänden, einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung angeordnet sind. Ein Strahl des Betriebsmediums, bisher meist Wasser, wird parallel zu den Scheiben auf diese Scheiben durch die Eintrittsöffnung geleitet. Durch eine Adhäsionskraft werden die Scheiben in Bewegung um die Achse versetzt. Durch eine Reibung wird der Strahl abgebremst. Durch die Seitenwände wird der Strahl auf eine Kreisbahn umgelenkt und treibt dabei weiter die Scheiben an. Da nur die Lager der Achse geringe Toleranzen aufweisen müssen und keine hochbelastbaren Materialien benötigt werden, sind auch die Produktionskosten niedrig und es ist eine hohe Lebensdauer zu erwarten. Da durch die Kondensation des Betriebsmediums in der Turbine 2 eine höhere Viskosität entsteht, werden dadurch auch die Scheiben stärker angetrieben. Bei üblichen Turbinen 2 mit Schaufeln würde eine Kondensation diese Schaufeln stark beschädigen. Die Energiegewinnung erfolgt dann in weiterer Folge durch eine Druckreduktion des Betriebsmediums in der Turbine 2.
  • Zur Steuerung des Kreisprozesses werden am Turbinenausgang in der Rücklaufleitung 6 Druck und Temperatur gemessen und mit dem Druck und der Temperatur in der Vorlaufleitung 5 verglichen. Sodann kann der Kreisprozess über ein in der Rücklaufleitung 6 angeordnetes Ventil 7 zur Durchflussmengenregelung geregelt werden. Dadurch ist eine sehr gute Lastregelung bei gleichzeitig geringer Komplexität möglich.
  • Das Betriebsmedium wird dann nach dem Ventil 7 einer Rückspeiseeinrichtung 9 zugeführt, welche hier als Pumpe ausgebildet ist.
  • In den in den Fig. 2 bis Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Rückspeiseeinrichtung 9 dazu ausgebildet, das Betriebsmedium in Schwingungen zu versetzen, um eine Druckdifferenz zwischen dem Turbinenausgang und dem Speicher 3 zu überwinden.
  • Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 mit einer als Resonanzrohr 11 ausgebildeten Rückspeiseeinrichtung 9. Hier kann ein eine Fluidsäule des Betriebsmediums in einem Volumen 12 in rohrähnlicher Form hin und her schwingen und dadurch beispielsweise in Eigenresonanz sein und damit in Verbindung mit einem Ventil die Druckdifferenz zwischen der Rücklaufleitung 6 der Turbine 2 und der Vorlaufleitung 5 zwischen dem Speicher 3 für das Betriebsmedium und der Turbine 2 überwinden. Eine Schwingungsanregung kann beispielsweise durch eine elektromagnetisch angetriebene Membran erfolgen.
  • In Fig. 3 ist eine weitere Variante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit einer gefederten Masse 13 dargestellt. Hier wird mit dieser Masse 13, die eine Membran, beispielsweise auch ein Kolben, sein kann, innerhalb eines abgeschlossenen Volumens 12, die Schwingungen im Betriebsmedium angeregt und das Betriebsmedium im Volumen in Resonanz gebracht, was entsprechend die Amplitude ansteigend verlaufen lässt. Im Zustand der Resonanz wird nur mehr ein Bruchteil der ursprünglich eingesetzten Anregungsenergie benötigt, was zu einem verbesserten Wirkungsgrad führt und einen besonders effizienten Transport des Betriebsmediums in den Speicher 3 gewährleistet. Hier ist das abgeschlossene Volumen 12 als Zylinder dargestellt, in dem die Masse 13 mittels einer Feder 14 schwingen kann. Die Schwingungen werden dabei durch Einsatz von Fremdenergie beispielsweise elektromechanischer Energie erzeugt.
  • Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung 1 ähnlich der in Fig. 3 dargestellten. Hier wird jedoch die Masse 13 mittels eines Dämpfers 15 an überhöhten Amplituden, die im System negative Auswirkungen haben könnten, gehindert. Trotzdem kann auch hier eine Druckdifferenz zwischen der Rücklaufleitung 6 der Turbine 2 und der Vorlaufleitung 5 zwischen dem Speicher 3 für das Betriebsmedium und der Turbine 2 gut überwunden werden.
  • Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung einer Oszillation ist in Fig. 5 dargestellt. Hier wird die Oszillation mittels eines magnetischen Fluids erzeugt, welches durch Feldspulen 16 in Schwingungen versetzt wird, wobei mit den Feldspulen 16 ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugbar ist.
  • Zur Steuerung der Fließrichtung des Betriebsmediums ist hier zwischen Ventil 7, welches hier nur zur Durchflussmengenregelung eingesetzt wird, und Rückspeiseeinrichtung 9 ein zusätzliches Einwegventil 17 vorgesehen. Alternativ kann die Fließrichtung in der Vorrichtung 1 natürlich auch durch ein entsprechend ausgebildetes Ventil 7 sichergestellt werden, sodass kein zusätzliches Einwegventil 17 erforderlich ist.
  • Das Einwegventil 17 kann wie das Ventil 7 natürlich auch nach der Rückspeiseeinrichtung 9 bzw. zwischen der Rückspeiseeinrichtung 9 und dem Speicher 3 vorgesehen sein.
  • Bei der Variante gemäß Fig. 5 sind die Feldspulen 16 innerhalb eines abgeschlossenen Volumens 12 angeordnet.
  • Eine ähnliche Variante ist in Fig. 6 dargestellt, wobei hier im Gegensatz zu Fig. 5 die Feldspulen 16 außerhalb des abgeschlossenen Volumens 12, beispielsweise eines Zylinders, angeordnet sind. Nachdem das mit den Feldspulen 16 erzeugte elektromagnetische Feld in das Volumen 12 eindringen kann, ist auch hier eine Schwingungsanregung des magnetischen Fluids möglich.
  • Mit der oben beschriebenen Vorrichtung 1 und dem erfindungsgemäßen Verfahren kann bisher ungenutzte Abwärme zu wirtschaftlich günstigen Bedingungen in elektrische Energie umgewandelt werden. Dabei kann beispielsweise industrielle Abwärme im Temperaturbereich von ca. 40 °C bis über 300 °C zur Verstromung eingesetzt werden. Auch kann Solarwärme zur zusätzlichen Stromerzeugung genutzt werden. Durch das grundsätzlich abgeschlossene System kann dieses auch in abgelegenen Gegenden ohne Anschluss an sonstige Energieversorgungsleitungen günstig und vorteilhaft eingesetzt werden.

Claims (15)

  1. Vorrichtung (1) zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie mittels eines Kreisprozesses mit einem Wärmetauscher (4), einem Speicher (3) für ein Betriebsmedium, einer Vorlaufleitung (5), einer Turbine (2) und einer Rücklaufleitung (6) mit mindestens einer Rückspeiseeinrichtung (9), dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (2) als Scheibenläuferturbine mit vollständiger Kondensation des Betriebsmediums ausgestaltet ist, wodurch ein separater Kondensator entfallen kann.
  2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die als Scheibenläuferturbine ausgestaltete Turbine (2) mehrere nebeneinander auf einer Achse drehbar angeordnete Scheiben in einem Gehäuse aufweist, wobei die Oberflächen der Scheiben mit Mikrostrukturen versehen sind.
  3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die als Scheibenläuferturbine ausgestaltete Turbine (2) mehrere nebeneinander auf einer Achse drehbar angeordnete Scheiben in einem Gehäuse und in dem Gehäuse einen Einlassdüsenstock mit einer Geometrie, die ein Einspritzen des Betriebsmediums zwischen die Scheiben ermöglicht, aufweist.
  4. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die als Scheibenläuferturbine ausgestaltete Turbine (2) mehrere nebeneinander auf einer Achse drehbar angeordnete Scheiben in einem Gehäuse und in dem Gehäuse einen Einlassdüsenstock mit einer Geometrie, die eine Erzeugung eines rotierenden Strahles des Betriebsmediums ermöglicht, aufweist.
  5. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zwischen der Turbine (2) und dem Speicher (3) zumindest ein Ventil (7) vorgesehen ist und die Rückspeiseeinrichtung (9) zur Erzeugung einer zeitlich wechselnden Kraft auf das Betriebsmedium ausgebildet ist, um im Betriebsmedium eine Druckschwingung zu erzeugen, wobei bevorzugt vorgesehen ist, dass die Rückspeiseeinrichtung (9) als Resonanzrohr (11) ausgebildet ist.
  6. Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, wobei die Rückspeiseeinrichtung (9) Feldspulen (16), die ein magnetisches Feld erzeugen, aufweist.
  7. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das mindestens eine Ventil (7) zwischen einem Turbinenausgang und dem Speicher (3) angeordnet ist, welches eine Strömung des Betriebsmediums vom Turbinenausgang zum Speicher (3) ermöglicht und in entgegengesetzter Richtung verhindert, wobei bevorzugt vorgesehen ist, dass das mindestens eine Ventil (7) als Ventil (7) ohne bewegliche Teile ausgeführt ist, insbesondere als Teslaventil.
  8. Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie in einem Kreisprozess, mit einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 wobei einem Betriebsmedium in einem Speicher (3) Wärmeenergie zugeführt wird, wobei das Betriebsmedium verdampft und/oder ein Druck im Betriebsmedium erhöht wird, wonach das Betriebsmedium in einer Turbine (2) Energie abgibt, wonach das Betriebsmedium in den Speicher (3) rückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in der Turbine (2) eine vollständige Kondensation des Betriebsmediums erfolgt, wodurch ein separater Kondensator entfallen kann.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Betriebsmedium einen superkritischen Zustand erreicht, insbesondere bei einem Druck von mehr als 74 bar, vorzugsweise bei einem Druck von mehr als 100 bar, und in der Turbine eine Kondensation vom superkritischen Zustand in einen gasförmigen Zustand und in einen flüssigen Zustand erfolgt.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei in einer Rücklaufleitung (6) Druck und Temperatur gemessen und mit einem Druck und einer Temperatur in einer Vorlaufleitung (5) verglichen werden, wobei eine Durchflussmenge des Betriebsmediums in der Rücklaufleitung (6) durch ein in der Rücklaufleitung (6) angeordnetes Ventil (7) geregelt wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei eine Rückführung des Betriebsmediums von der Turbine (2) in den Speicher (3) unter Druckerhöhung des Betriebsmediums mittels der Rückspeiseeinrichtung (9) erfolgt, mit welcher eine zeitlich wechselnde Kraft auf das Betriebsmedium aufgebracht wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei das Betriebsmedium durch die Rückspeiseeinrichtung (9) in Oszillation, insbesondere in Resonanz, versetzt wird, wobei bevorzugt vorgesehen ist, dass die Oszillation des Betriebsmediums durch ein Resonanzrohr (11) erzeugt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Oszillation des Betriebsmediums durch eine gefederte Masse (13) erzeugt wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Masse (13) gedämpft wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Betriebsmedium ein magnetisches Fluid aufweist oder durch ein magnetisches Fluid gebildet ist und die Oszillation durch ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wird.
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