EP4306775A1 - Method and apparatus for converting low-temperature heat into technically usable mechanical energy - Google Patents
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Classifications
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- 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
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- F01K25/065—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 mixtures of different fluids with an absorption fluid remaining at least partly in the liquid state, e.g. water for ammonia
-
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- F22—STEAM GENERATION
- F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
- F22B27/00—Instantaneous or flash steam boilers
Definitions
- the invention relates to methods and devices for converting low-temperature heat with a temperature of less than 200 ° C into technically usable mechanical energy and subsequently electrical energy.
- TLC trilateral cycle
- a working fluid is put under working pressure by a pressure pump, external heat is supplied in a heat exchanger, and this is converted into a rotational movement by partial evaporation of the working fluid in a heat engine, which drives a generator.
- the resulting working medium vapor is condensed after it leaves the heat engine and the cycle begins again.
- the technical challenge of the TLC process lies in the implementation of partial evaporation as forced flash evaporation with a vertically falling evaporation curve (see Fig. 1 , TS diagram, course from point 3 to point 5) through the wet steam area of the working fluid with a high proportion of liquid.
- the aim of the present invention is a technical solution for converting low-temperature heat into technically usable energy by implementing flash evaporation similar to the TLC process Fig. 1 while at the same time eliminating the disadvantages of the previously known devices.
- Core component of the overall system 11 Fig. 5 is the first energy converter 25.
- Fig. 4 the associated thermodynamic details of the two-stage E-TLC2 process for the entire system 11 as well as the associated TS and pV diagram are shown.
- pressurized working medium 51 and the heat medium 55 which is also under pressure, are heated to the same temperature in a heat exchanger 31 by externally supplied thermal energy and fed to the first energy converter 25.
- the step of flash evaporation (see Fig.4 , TS diagram) from working point 3 with the maximum temperature to working point 5 with the minimum temperature. This achieves a maximum in exergetic efficiency.
- the working medium raised and completely evaporated by the first energy converter 25 is collected after exiting the first energy converter 25, the working medium vapor 54 condenses, collected and returned to the lower level in a second energy converter 34 while performing mechanical work.
- the remaining liquid heat medium is also collected and returned to the lower level while performing mechanical work in the second energy converter 34.
- Deviating from the E-TLC process Fig. 3 In the two-stage E-TLC2 process, there is another point 7 between thermodynamic points 1 and 2, at which the cold working medium 51 and the cold heat medium 55 have a higher pressure than is required after the E-TLC process at point 2 . This pressure difference between points 7 and 2 of the E-TLC2 process is converted into technically usable energy in the second energy converter 34. At the same time, the pump required according to the state of the art to generate the necessary working pressure is no longer required.
- the product of the pressure difference and the volume of the working medium and the heat medium corresponds to the thermal energy converted into potential energy in the first energy converter 25.
- the first energy converter The first energy converter
- the physical and technical basis for the first energy converter 25 (see Fig. 6a ) are work areas AB, each delimited by two pistons 170 and filled with warm working medium AM and warm heating medium WM.
- Each work area is under a local working pressure pA, which is generated by the other work areas located in the pipe above the respective work area.
- the working fluid AM is in a flash evaporation - with a simultaneous increase in the volume of the work area - partially (lower and middle area) or completely (upper area ) evaporated and cooled.
- the thermal energy required for the complete evaporation of the working fluid is removed from the heat medium so that it is also cooled down (see Fig.4 and Fig. 6b ).
- the working mixture Due to the evaporation of the working fluid during the movement from the lower to the upper level, the working mixture is subject to a constant change in the mixing ratio until the working fluid has completely evaporated at the upper level and the heat medium remains solely as a liquid.
- Fig.7 the optimized overall system 12 with a mixing chamber 33 for producing the working mixture AG is already shown outside the first energy converter.
- the result of the optimization is only a one-piece second energy converter 34 and a one-piece heat exchanger 31 instead of a two-part second energy converter and heat exchanger Fig.5 necessary.
- the weight medium is - in contrast to the working medium and heat medium - not heated by the heat source.
- the weight medium has the effect - with otherwise the same processes as before Fig 6 described - due to its own weight, an increase in the working pressure pA on each working area AB located in the upward pipe. This makes it possible - as will be shown - to significantly reduce the height required of the upward pipe to build up the working pressure pA.
- Fig. 11 the overall system 15 is shown with a further developed first energy converter 26, the structure of which is largely identical to the overall system 11 Fig. 5 is.
- the in Fig. 12 The structure of the overall system 16 shown with a further developed first energy converter 26 and external production of a working mixture is largely identical to the overall system 12 Fig. 7 . What is new in both overall systems is the additional supply of weight medium 60 to the further developed first energy converter 26.
- thermodynamic processes of the E-TLC2 process Fig. 4 also apply to the overall systems 15 and 16 with the further developed first energy converter 26.
- the reduced pressure difference between points 7 and 2 due to the lower height of the overall systems 15 and 16 is compensated for the second energy converter 34 by a larger volume of working medium, heat medium and weight medium (see Fig.11 +12, pV diagrams). Varying the amount of the working mixture (heat medium and working fluid) or the weight medium enables easy control of the entire system.
- the further developed first energy converter can also be operated in an operating mode without a weight medium, thus extending the usable temperature range to lower temperatures.
- the height of the entire system between the condensation device and the heat supply can be reduced to such an extent that the resulting liquid pressure of the working fluid or the working mixture corresponds to the working pressure required at point 2.
- the loss of potential energy of the working medium or working mixture is compensated for by the larger usable volume of heat or weight medium.
- the total amount of technically usable energy remains the same. If the focus is on further reducing the height of the overall system, as in Fig.9 and 16 shown, the use of an additional pressure booster pump 35 is also possible.
- first energy converter 25 and the further developed first energy converter 26 for converting thermal energy into potential energy allow any number of upward pipes to be built in parallel for energy conversion (see Fig. 17 , exemplified using the example of the entire system 12).
- Essential feature of the novel E-TLC process Fig.3 compared to the well-known TLC process Fig.1 is the use of a heat medium and the complete evaporation of the working fluid into a polytropic evaporation curve.
- the TLC process according to Smith uses the thermal energy absorbed by the working fluid to evaporate. Since the amount of energy required for evaporation is greater than the amount of energy absorbed, this always leads to only partial evaporation of the working fluid.
- the working fluid thus undergoes polytropic flash evaporation (cf. Fig.1 , TLC process: isentropic flash evaporation). If you look at the sum of the amount of heat contained in the heated working fluid and heated heating medium - without taking into account the different heat capacities - this corresponds to the amount of energy converted into evaporation of the working fluid. This means that in a direct comparison of the TLC and E-TLC process, with the same amount of thermal energy absorbed, the same amount of thermal energy is converted through the evaporation of working fluid.
- thermodynamic steps follows the course of the E-TLC2 process Fig.4 .
- the overall systems 12 ( Fig.7 ) and 16 ( Fig.12 ) are variations of the overall systems 11 and 15 using a working mixture AG consisting of working medium AM and heating medium WM. Their operation corresponds to overall systems 11 and 15, respectively.
- Figures 5, 7, 11 and 12 show the TS diagrams and the pV diagrams of the respective overall process, separated by work medium (without index), heat medium (index “wm”), weight medium (index “gm”) or working mixture (index “ag”).
- the hatched area in the p-V diagrams corresponds to the thermal energy of the respective medium converted into technically usable work.
- the sum of the converted thermal energy is the same for all overall systems with the same input parameters (amount of thermal energy absorbed).
- the overall systems 13,14 ( Fig.8,9 ) and 17-20 ( Fig.13-16 ) represent further advantageous variations of the overall systems 11 and 15. Their basic operation corresponds to the overall systems 11 and 15. Differences are discussed in the text.
- the starting point of the energy conversion process is point 2 of the E-TLC2 process (see Fig.4 , TS and pV diagram) in the lower area of the overall systems 11-20 ( Fig.5 , 7-9 , 11-16 ).
- the cold liquid working fluid 51 and the cold heat medium 55 (overall system 11, 15) or the cold working mixture (overall system 12-14, 16-20) are under pressure and are fed through feeds 40 to the heat exchanger 31 to absorb thermal energy from the low-temperature heat source and heated therein without evaporation of the working fluid.
- geothermal heat In addition to geothermal heat, ocean heat, solar heat, waste heat from technical processes (e.g. steel and plastics industries), heat from cooling processes (e.g. cold storages, data centers), heat from combustion processes (e.g. waste incineration, biogas) or residual heat from other processes (e.g. chemical industry) can be used as low-temperature heat sources. be used.
- technical processes e.g. steel and plastics industries
- cooling processes e.g. cold storages, data centers
- heat from combustion processes e.g. waste incineration, biogas
- residual heat from other processes e.g. chemical industry
- the preferred heating medium is water due to its heat capacity.
- other temperature-stable substances that remain liquid in the intended temperature range, do not decompose or freeze and do not enter into a chemical reaction or other interaction with the work equipment can also be used.
- the preferred weight medium is the heat medium, preferably water, due to its high density.
- cold working mixture see overall system 17
- pure working fluid or an additional liquid can also be used as a weight medium.
- the absorbed thermal energy of the warm working medium 52 and the warm heating medium 56 or the resulting warm working mixture 59 is converted in accordance with the E-TLC or E-TLC2 process ( Fig.3 , 4 Points 4' and 4") are converted into potential energy by a flash evaporation of the working fluid while performing volume change work in the form of lifting work.
- the heat medium cools down by releasing heat to the working fluid.
- the working medium and the heat medium or the weight medium are raised from the lower to the upper area.
- the working medium is in accordance with the E-TLC or E-TLC2 process ( Fig.3 , 4 Point 5) completely evaporated and cooled.
- the remaining liquid heat medium 55 has also cooled down.
- the evaporated and cooled working medium 54 and the liquid, cold heat medium 55 leave the first energy converter 25 (overall system 11-14) or the further developed first energy converter 26 (overall system 15-20) at the upper level.
- the cold weight medium 60 mixes with the cold heat medium 55 and increases the volume of the heat medium 55.
- the evaporated working fluid 54 flows to the vapor liquefaction device 32 and is here reduced in entropy ( Fig.3 , 4 TS diagram point 6) liquefied again.
- the cold working medium 51 and the cold heating medium 55 are now cooled down and under low pressure, the previously absorbed thermal energy is converted into potential energy.
- the working medium 51 and the heat medium 55 (including weight medium 60) flow back to the lower level of the overall system in different ways, building up static pressure.
- the heat medium 55, the working fluid 51 or the working mixture 58 flow to a second energy converter 34.
- the liquid columns generate high pressure (pV diagram points 7, 7 wm , 7 gm , 7 ag ).
- This pressure is partially converted into mechanical movement in the second energy converter 34, which is subsequently converted into electrical energy, for example in a generator, but can also be used as mechanical energy to drive machines.
- the overall systems 13, 18 and 19 represent a special feature.
- the cold working medium 51, the cold heating medium 55 (including cold weight medium 60) or the cold working mixture 58 is under an equally high remaining residual pressure (point 2 of the E-TLC2 process).
- This residual pressure is so high that the working fluid 51 does not begin to evaporate when thermal energy is subsequently absorbed in the heat exchanger 31.
- the overall systems 14 and 20 are an exception.
- the height of the overall system was reduced to such an extent that the necessary working pressure at point 2 is not reached.
- An additional pressure boosting pump 35 is therefore required to achieve the required working pressure. This solution can be useful for various reasons, but it worsens the overall technical efficiency.
- first energy converters 25 see example Fig. 17
- first energy converters 26 can be used in parallel.
- the number of energy converters 25,26 can be increased as desired.
- the operation of the overall systems 11 to 20 is based only on the pressure difference between the vapor pressure at maximum working temperature and the vapor pressure at vapor liquefaction temperature.
- the overall systems 11-14 are particularly advantageous for small temperature differences, the overall systems 15-20 for higher temperature differences.
- the further developed overall system 15 can be operated like an overall system 11 through appropriate control of the further developed first energy converter 26, the area of application of the overall system 15 is significantly expanded.
- the condensation heat can heat heating water.
- the amount of energy generated by the entire system decreases accordingly.
- the exergetic efficiency of the entire system changes according to the degree of use of the condensation heat.
- Fig. 19 to 22 Preferred arrangements for using low-temperature heat from solar thermal heating, but also from flue gases or coolant vapors are shown.
- a common feature of the modified overall systems 211, 212, 216 and 219 is that the heat exchanger 31 for introducing the low-temperature heat is arranged between the lower and upper levels of the overall system and extends partially or completely over the head H.
- the working medium 51, heating medium 55 or working mixture 58 to be heated pass through the vertically arranged heat exchanger 31 while pressure builds up at the same time and are fed to the second energy converter 34 as already heated liquids.
- the working mixture continues to the second energy converter 34 to convert potential energy into technically usable energy. After the working mixture exits the second energy converter 34, there is no evaporation of the working fluid due to the remaining high metering pressure pD.
- the heated working mixture is fed directly to the first energy converter 26 while building up the metering pressure pD.
- Fig.18 is the one on the in Fig.3 E-TLC process shown and used in the overall systems 211, 212, 216 and 219 modified two-stage extended tri-lateral cycle process (hereinafter referred to as mE-TLC2 ).
- Point 2 of the original E-TLC2 process Fig. 4 is omitted and point 7 has a changed position in the new mE-TLC2 process (see Fig.18 ).
- thermodynamic sequence of the mE-TLC2 process is compared to the E-TLC2 process Fig.4 Visually similar in the pV diagram, there are few changes in the curve. This is different in the TS diagram, where the missing point 2 and the changed position of point 7 represent the new arrangement of the heat exchanger and the resulting changed thermodynamic course.
- the thermal energy converted into technically usable work in the mE-TLC2 process is the same with the same input parameters (amount of thermal energy absorbed).
- the main distinguishing feature of the mE-TLC2 process is the changed position of the heat exchanger in the overall system and thus the changed application requirements for the heat exchanger 31 and the second energy converter 34.
- the starting point for the conversion of thermal energy into potential energy is in the lower area of the pipe system - shown as an example in the lower pipe bend 110.
- pistons 170 which are under the pressure pK (generated by the weight of the subsequent piston stack 171), are introduced into the introduction devices 121 ( Fig.23 , 24 ) or 122 ( Fig.25 , 26 ) pushed.
- the pressure pK is greater than the maximum working pressure pA generated by the areas in the riser pipe 130.
- the introduction device 121 or 122 is supplied from the outside with the heated working medium 52, the heated heating medium 56 or the heated working mixture 59, which is under a metering pressure pD - which is also greater than the maximum working pressure pA.
- This area thus becomes a work area.
- unheated weight medium can be introduced between two work areas.
- An area filled with weight medium 60 thus becomes a weight area GB.
- the amount of media supplied and the time of introduction are controlled by metering devices 126.
- individual pistons 170 can be briefly stopped in the introduction devices 121 and 122 by a piston stop device 125. After the stopped pistons 170 are released, the introduced areas are pushed into the riser pipe 130 by the piston pressure pK of the subsequent pistons or the next introduced areas.
- the pistons 170 create a spatial and thermally insulated boundary for the heated working medium or the weight medium from the preceding or following areas.
- the targeted control of the introduction allows the further developed first energy converter 26 to also be operated in an operating mode without a weight medium and thus the usable temperature range is extended to lower temperature differences.
- first energy converter 26 ( Fig. 24 , 25 ) it is not necessary for the further developed first energy converter 26 ( Fig. 24 , 25 ) to give the areas between two pistons a specific assignment to the working area or weight range. Any area between two pistons can be a working area or a weight area. From a technical point of view, however, it can make sense to design the pistons differently and thus explicitly assign the pistons to the working or weight range.
- Step 2 Conversion of thermal energy into potential energy
- the preferred embodiment of the riser pipe 130 according to the invention is vertical without a change in direction.
- the general basic principle of pressure build-up also allows an oblique, helical or other upward design of the rise pipe 130.
- the warm working fluid 52 contained in the working mixture 59 After falling below a working pressure pA, which is dependent on the temperature and the vapor pressure curve of the working fluid used, the warm working fluid 52 contained in the working mixture 59 begins to evaporate in a flash evaporation, so that warm working fluid vapor 53 is created.
- pA working pressure
- the warm working fluid 52 contained in the working mixture 59 After falling below a working pressure pA, which is dependent on the temperature and the vapor pressure curve of the working fluid used, the warm working fluid 52 contained in the working mixture 59 begins to evaporate in a flash evaporation, so that warm working fluid vapor 53 is created.
- the remaining working pressure pA which is placed on the work and weight areas remaining in the riser pipe 130 (the latter only in the further developed first energy converter 26), is reduced.
- the working medium 52 has completely evaporated from the working mixture 59 and only the heating medium 55 remains liquid.
- the heat medium has cooled down to the condensation temperature, the resulting working medium vapor 54 is expanded with an increase in volume and cooling down to the condensation pressure.
- the p-V characteristic of the first energy converters is variable and, due to the self-regulating working pressure pA of each individual work area and the resulting forced expansion evaporation of the work fluid, automatically adapts to the p-V evaporation characteristic of the work fluid used in the temperature range used.
- Step 3 Separation and removal of media
- the cooled, liquid-remaining heat medium 55 or weight medium 60 emerges from the pipe system at the upper level - shown as an example, the upper pipe bend 140 - the media are separated in the separation device 150 .
- the remaining liquid heat medium 55 is captured and collected.
- the remaining liquid heat medium 55 is collected together with the weight medium 60.
- the collected cold heat medium 55 - also the weight medium in the further developed first energy converter 26 - leaves the first energy converter 25 or 26 via feeds 40 and, depending on the design of the overall system, flows into the mixing chamber 33, the second energy converter 34 or - in the case of overall systems using the mE- TLC process - the heat exchanger 31.
- the working medium vapor 54 is supplied to the vapor liquefaction device 32 through feeds 40. Any droplets of the heat medium that may have been entrained by the working medium vapor 54 are separated in the separation device 150 and fed to the collected heat medium.
- the pistons 170 which are inoperative after the media exits the upper pipe bend 140, are guided further to the descent pipe 160. There, due to the weight of the pistons, the remaining working medium vapor 54 is pressed out of the pipe system into the separation device 150 through outlet openings provided for this purpose.
- the pistons 170 are brought together as a piston stack 171 and, due to their own weight, generate the piston pressure pK required in the insertion devices 121 and 122.
- the inventive structure of the first energy converters 25 and 26 as a closed pipe system with free-running pistons opens up the possibility of energy conversion from thermal to potential energy with a very large and variable working range in terms of the possible increase in volume and the working pressure to be reduced.
- stepless and variable flash evaporation of a working medium which can be achieved using the principle of individual small working areas, can only be compared with a very finely stepped turbine.
- the flash evaporation curve of the E-TLC or E-TLC2 process can be seen in the TS diagram according to Fig. 34 and Fig. 4 from point 3 to point 5 pass through safely and completely and the thermal energy previously absorbed can be completely converted.
- the tubes for guiding the pistons are provided with a well-sliding thermal internal insulation such as PTFE or polyamide (PA).
- the pistons themselves are provided on the sealing surfaces with a sealing and sliding material that matches the material of the inner insulation of the pipe, which ensures both sealing of the areas and thermal insulation.
- the contact of the media with the pipe wall and the stripping of the media from the pipe wall by the piston leads to turbulence and intensive mixing of the media. This promotes heat distribution and thus the evaporation of the working fluid. This turbulence can be promoted through a suitable design of the piston and the piston seal.
- the pistons also preferably have a roughened, porous surface, which promotes the formation of bubbles when the working fluid evaporates (comparable to the effect of boiling stones).
- the main task of the piston seal is to provide a support function to prevent the pistons from tipping in the pipe system to prevent. This is possible through a suitable piston design.
- Corresponding piston designs are known in the professional world.
- the pipe cross section supports the piston design.
- non-circular pipe cross sections e.g. ellipse or oval
- advantages for example in the design of the insertion device or the outlet openings and other tasks.
- Designing the lower and upper sections of the circumferential pipe system as a horizontal zone with constant pressure (for examples see Fig. 27) in combination with a non-circular pipe cross section also facilitates the technical design of the introduction devices 120 and 121 or the separation device 150.
- the overall system is 11 or 15 ( Fig.5 , 11 ) even small temperature differences of 10°K can be used.
- the small pressure difference of only 0.033 MPa (0.33 bar), which is thermodynamically given due to the temperature difference, between the maximum working pressure and the steam liquefaction pressure in the first energy converter 25 or 26 according to the invention is converted into one - through the second Energy converter 34 technically usable - pressure difference of at least 0.25 MPa (2.5 bar) for the working medium or at least 0.4 MPa (4.0 bar) for the heat medium is implemented. Something comparable cannot be achieved with devices according to the state of the art.
- the entire system should preferably be 17 Fig. 13 with a cold working mixture 58 as weight medium 60 are used. This has a further reduced height compared to the overall system 15 and only requires a one-piece second energy converter 34 or one-piece heat exchanger 31.
- Table 2 shows an example of a comparison of the overall systems 11 (without weight medium) and 15 (with weight medium) with otherwise identical input parameters.
- the use of the further developed first energy converter 26 with a weight medium reduces the overall height of the entire system by approximately 85%.
- Table 3 shows examples of the working parameters of an overall system 18 with a further developed first energy converter 26 at different working temperatures.
- the temperature scenario shown corresponds to the daily course of an energy converter with solar thermal heat supply and liquefaction of the working fluid vapor by ambient air as the ambient temperature increases (increase in the condensation temperature from 20 to 40 °C).
- the last column shows an example of the influence of the condensation temperature on the achievable performance.
- the number of total work areas in the riser tube corresponds to the number of seconds that a work area requires to pass from the lower to the upper level of the overall system.
- Table 1 Example values for the implementation of the E-TLC process with devices 11, 12 and 17 at a temperature difference of 10° between the inlet and condensation temperatures Input parameters Unit Device 11 Device 15 Device 17 Max. working temperature °C 40 condensation temperature °C 30 Mean Efficiency according to Carnot % 1.62 Pipe diameter m 0.1 Work equipment/density - / kg/ m2 N - Pentane / 605.76 Max.
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Abstract
In einem zweistufigen Verfahren (Fig.5) wird thermische Energie aus einer Niedertemperaturquelle mit Temperaturen von maximal 200°C unter Realisierung eines neuartigen E-TLC-Prozesses in einem ersten Energiewandler zunächst in potentielle Energie und nachfolgend die potentielle Energie in einem zweiten Energiewandler in technisch nutzbare mechanische Energie gewandelt.In a two-stage process (Fig. 5), thermal energy from a low-temperature source with temperatures of maximum 200°C is first converted into potential energy in a first energy converter using a novel E-TLC process, and then the potential energy is converted into technically usable mechanical energy in a second energy converter.
Description
Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Umwandlung von Niedertemperaturwärme mit einer Temperatur von weniger als 200°C in technisch nutzbare mechanische Energie und nachfolgend elektrischer Energie.The invention relates to methods and devices for converting low-temperature heat with a temperature of less than 200 ° C into technically usable mechanical energy and subsequently electrical energy.
Aufgrund der geringen Temperaturdifferenz von Niedertemperaturwärmequellen zu möglichen Wärmesenken wie Wasser oder Umgebungsluft und des daraus resultierenden niedrigen theoretischen Wirkungsgrades ist die möglichst vollständige Ausnutzung der theoretisch nutzbaren thermischen Energie wünschenswert. Möglich wird dies durch Realisierung eines Trilateral-Cycle (TLC-) Prozesses nach Smith (
Im TLC-Prozess nach Smith (siehe
- Isochore Druckerhöhung (Pkt. 1 - Pkt. 2)
- Isobare Wärmezufuhr ohne Verdampfung des Arbeitsmittels (Pkt. 2 - Pkt. 3)
- Isentrope Entspannungsverdampfung bei kontinuierlicher Druckverringerung mit gleichzeitiger Volumenvergrößerung und Verrichten von Volumenarbeit (Pkt. 3 - Pkt. 5)
- Isobare Wärmeabfuhr und Kondensation des verdampften Anteils des Arbeitsmittels (Pkt. 5-Pkt. 1)
- Isochoric pressure increase (point 1 - point 2)
- Isobaric heat supply without evaporation of the working fluid (point 2 - point 3)
- Isentropic flash evaporation with continuous pressure reduction with simultaneous increase in volume and performance of volume work (point 3 - point 5)
- Isobaric heat dissipation and condensation of the evaporated portion of the working fluid (point 5-point 1)
Der prinzipielle Aufbau einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik ist in
Die technische Herausforderung des TLC-Prozesses liegt in der Umsetzung der Teilverdampfung als erzwungene Entspannungsverdampfung mit einer senkrecht fallenden Verdampfungskurve (siehe
Das kontinuierliche, gleichzeitige und räumliche Nebeneinander von:
- Reduktion des Arbeitsdruckes zur Initiierung der Entspannungsverdampfung des Arbeitsmittels
- Volumenvergrößerung durch die Entspannungsverdampfung des Arbeitsmittels
- Verrichten von Expansionsarbeit durch den entstehenden Dampf des Arbeitsmittel
- im Nassdampfgebiet des Arbeitsmittels mit einem hohen Flüssigkeitsanteil
- Reduction of the working pressure to initiate the flash evaporation of the working fluid
- Increase in volume through flash evaporation of the working fluid
- Carrying out expansion work through the resulting steam from the working medium
- in the wet steam area of the working fluid with a high liquid content
Bekannt sind verschiedene Vorrichtungen zur Umsetzung der Entspannungsverdampfung eines TLC-Prozesses:
-
US 3 169 375 A -
US 4 557 112 A -
US 7 093 503 B1 DE 10 2007 041 457 A1 -
WO 00 2007 115 769 A2
-
US 3,169,375 A -
US 4,557,112 A -
US 7,093,503 B1 DE 10 2007 041 457 A1 -
WO 00 2007 115 769 A2
Die Fachliteratur benennt überdies Scrollexpander und weitere Varianten von Rotary-Vane-Expander als Expansionsmaschine.The specialist literature also names scroll expanders and other variants of rotary vane expanders as expansion machines.
Weiterhin bekannt sind:
-
DE 34 20 293 A1 -
US 2012 / 0 112 473 A1 -
GB 280 926 A
-
DE 34 20 293 A1 -
US 2012 / 0 112 473 A1 -
GB 280 926 A
Diese Vorrichtungen wurden zumeist als Kompressionsmaschinen für die Komprimierung von Gasen entwickelt oder aus Maschinen für andere Wärmekraftprozessen abgeleitet und weisen für eine Entspannungsverdampfung nach dem TLC-Prozess teils ungünstige Parameter auf.These devices were mostly developed as compression machines for the compression of gases or derived from machines for other thermal power processes and sometimes have unfavorable parameters for flash evaporation after the TLC process.
Dazu gehören:
- Die p-V-Kennlinie der Vorrichtung entspricht nicht oder nur ungenügend der p-V-Verdampfungs-kennlinie des Arbeitsmittels, was zu Umwandlungsverlusten führt
- Ein zu geringes Expansionsverhältnis von Volumen und Druck und dadurch kein vollständiges Durchlaufen der Verdampfungskurve, was zu ungenutzter thermischer Energie führt
- hohe Spalt-Verluste an technisch bedingten Dichtflächen bei durch höhere Temperaturen bedingten höheren Arbeitsdrücken
- Schlechte Anpassung der Vorrichtung an Veränderungen der Eingangstemperatur bzw. der Kondensationstemperatur aufgrund mechanisch vorgegebener Arbeitspunkte
- Reibungsverluste
- Z.T. hohe Drehzahlen der Vorrichtung, die zusätzliche, verlustbehaftete Getriebe erfordern
- Aufwendig und teuer zu fertigende Spezialkomponenten (wie u.a. Turbinen, Screw-Expander)
- Bauteilschädigungen durch Tröpfchenerosion, ausgelöst durch eine schnelle, schlagartige Entspannungsverdampfung
- The pV characteristic of the device does not correspond or only insufficiently corresponds to the pV evaporation characteristic of the working fluid, which leads to conversion losses
- An expansion ratio of volume and pressure that is too low and therefore does not complete the evaporation curve, which leads to unused thermal energy
- High gap losses on technically-related sealing surfaces at higher working pressures caused by higher temperatures
- Poor adaptation of the device to changes in the input temperature or the condensation temperature due to mechanically predetermined operating points
- Frictional losses
- Sometimes high speeds of the device, which require additional, lossy gears
- Special components that are complex and expensive to produce (such as turbines, screw expanders, among others)
- Damage to components caused by droplet erosion, triggered by rapid, sudden flash evaporation
Ein weiterer Punkt, der in der wissenschaftlichen Literatur häufig betont wird, ist die notwendige Pumpleistung, um am Anfang des Prozesses den benötigten Arbeitsdruck für das kalte flüssige Arbeitsmittel zu erzeugen, für die ein nicht geringer Teil der zuvor erzeugten Energie benötigt wird.Another point that is often emphasized in the scientific literature is the pumping power required to generate the required working pressure for the cold liquid working fluid at the beginning of the process, for which a significant proportion of the previously generated energy is required.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist eine technische Lösung zur Umwandlung von Niedertemperaturwärme in technisch nutzbare Energie unter Realisierung einer Entspannungsverdampfung ähnlich dem TLC-Prozess nach
D.h. die neue technische Lösung soll folgende Eigenschaften aufweisen:
- die p-V-Kennlinie der Vorrichtung entspricht der p-V-Verdampfungskennlinie des Arbeitsmittels
- Ein großes volumenbezogenes Expansionsverhältnis
- Ein großes druckbezogenes Expansionsverhältnis
- geringe Spaltverluste an technisch bedingten Dichtflächen
- Vermeidung einer schlagartigen Entspannungsverdampfung und dadurch ausgelöster Tröpfchenerosion
- Minimierung der zur Erzeugung des Arbeitsdruckes erforderlichen Pumpleistung
- Leichte Anpassung an Veränderungen der thermischen Umgebungsparameter wie Temperatur der Wärmequelle bzw. der Kondensationstemperatur
- Abdeckung eines großen Temperaturbereichs der Temperatur der NiedertemperaturWärmequelle und der Kondensationstemperatur
- the pV characteristic of the device corresponds to the pV evaporation characteristic of the working medium
- A large volume expansion ratio
- A large pressure-related expansion ratio
- Low gap losses on technically required sealing surfaces
- Avoiding sudden flash evaporation and the resulting droplet erosion
- Minimization of the pumping power required to generate the working pressure
- Easy adaptation to changes in thermal environmental parameters such as the temperature of the heat source or the condensation temperature
- Covering a wide temperature range of low temperature heat source temperature and condensation temperature
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß wie in den Ansprüchen definiert gelöst durch einen neuartigen "Extended-TLC-Prozess", eine Energiewandlungsvorrichtung sowie ein Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie in potentielle Energie sowie eine Vorrichtung und Verfahren mit einer zweimaligen Energiewandlung:
- Erste Wandlung: Umwandlung der thermischen Energie von Prozessmedien in potentielle Energie der Prozessmedien durch Anheben der Prozessmedien von einem unteren Niveau auf ein oberes Niveau unter Realisierung einer Entspannungsverdampfung nach dem Extended-TLC-Prozess
- Zweite Wandlung: Umwandlung der potentiellen Energie der Prozessmedien in technisch nutzbare Energie durch Rückführung der Prozessmedien vom oberen auf das untere Niveau und Umwandlung des statischen Druckes der Prozessmedien in mechanische Energie, z.B. in einem Hydraulikmotor / -turbine
- First conversion: Conversion of the thermal energy of process media into potential energy of the process media by raising the process media from a lower level to an upper level while realizing flash evaporation according to the Extended TLC process
- Second conversion: Conversion of the potential energy of the process media into technically usable energy by returning the process media from the upper to the lower level and converting the static pressure of the process media into mechanical energy, e.g. in a hydraulic motor/turbine
Neu sind:
- Der "Extended-TLC" Prozess
- Die erste Energiewandlungsvorrichtung und das Verfahren zur Wandlung von thermischer Energie in potentielle Energie unter Realisierung einer Entspannungsverdampfung nach dem Extended-TLC-Prozess
- Die Vorrichtung und das Verfahren der zweimaligen Wandlung unter Verwendung der neuartigen ersten Energiewandlungsvorrichtung
- The “Extended-TLC” process
- The first energy conversion device and the method for converting thermal energy into potential energy by realizing flash evaporation according to the extended TLC process
- The device and method of double conversion using the novel first energy conversion device
Zur besseren Unterscheidbarkeit wird:
- Der "Extended-TLC" Prozess nachfolgend E-TLC Prozess genannt
- die erste Energiewandlungsvorrichtung zur Wandlung von thermischer Energie in potentielle Energie nachfolgend "Erster Energiewandler" genannt
- die Vorrichtung mit zweimaliger Energiewandlung nachfolgend als "Gesamtsystem" bezeichnet
- der im Gesamtsystem realisierte thermodynamische Prozess mit zweimaliger Energiewandlung wird aufgrund seiner Ähnlichkeit zum bekannten TLC-Prozess und zur besseren Unterscheidung zum neuartigen E-TLC-Prozess nachfolgend als "E-TLC2-Prozess" bezeichnet.
- The “Extended-TLC” process, hereinafter referred to as the E-TLC process
- the first energy conversion device for converting thermal energy into potential energy, hereinafter referred to as “first energy converter”.
- the device with double energy conversion is hereinafter referred to as the “overall system”.
- The thermodynamic process with double energy conversion implemented in the entire system is referred to below as the “E-TLC2 process” due to its similarity to the known TLC process and to better distinguish it from the new E-TLC process.
Die in
Wesentliche Merkmale des neuartigen E-TLC-Prozesses (siehe
- die Verwendung eines Wärmeträgermediums (nachfolgend vereinfacht Wärmemedium genannt) als interner Wärmespeicher
- die vollständige Verdampfung des Arbeitsmittels (vgl. TLC-Prozess: teilweise Verdampfung)
- die Verdampfung in einer polytropen Verdampfung (vgl. TLC-Prozess: isentrope Verdampfung)
- the use of a heat transfer medium (hereinafter simply referred to as heat medium ) as an internal heat storage
- the complete evaporation of the working fluid (cf. TLC process: partial evaporation)
- the evaporation in a polytropic evaporation (cf. TLC process: isentropic evaporation)
Wie später gezeigt wird, ergeben sich durch die Nutzung eines vollständig verdampfenden Arbeitsmittels und eines zusätzlichen Wärmemediums völlig neue Lösungswege für die technische Realisierung und Steuerung einer Vorrichtung zur Umwandlung von Niedertemperatur-Wärme in technisch nutzbare Energie.As will be shown later, the use of a completely evaporating working medium and an additional heat medium results in completely new solutions for the technical implementation and control of a device for converting low-temperature heat into technically usable energy.
Kernkomponente des Gesamtsystems 11 nach
In
Das am Punkt 2 (
Im ersten Energiewandler 25 zur Wandlung thermischer Energie in potentielle Energie wird der Schritt der Entspannungsverdampfung (siehe
Das durch den ersten Energiewandler 25 angehobene und vollständig verdampfte Arbeitsmittel wird nach Austritt aus dem ersten Energiewandler 25 aufgefangen, der Arbeitsmitteldampf 54 kondensiert, gesammelt und unter Verrichtung von mechanischer Arbeit in einem zweiten Energiewandler 34 wieder zum unteren Niveau zurückgeführt.The working medium raised and completely evaporated by the
Das flüssig verbliebene Wärmemedium wird ebenfalls aufgefangen und unter Verrichtung von mechanischer Arbeit im zweiten Energiewandler 34 wieder zum unteren Niveau zurückgeführt. Abweichend zum E-TLC-Prozess nach
Das Produkt aus Druckdifferenz und Volumen des Arbeitsmittels und des Wärmemediums entspricht der im ersten Energiewandler 25 in potentielle Energie gewandelten thermischen Energie.The product of the pressure difference and the volume of the working medium and the heat medium corresponds to the thermal energy converted into potential energy in the
Die physikalische und technische Grundlage für den ersten Energiewandlers 25 (siehe
Eine Vielzahl dieser durch Kolben 170 getrennter Arbeitsbereiche sind übereinander in einem aufwärts gerichtetem Rohr angeordnet (siehe
Jeder Arbeitsbereich steht dabei unter einem lokalen Arbeitsdruck pA, der durch die im Rohr über dem jeweiligen Arbeitsbereich befindlichen, weiteren Arbeitsbereiche erzeugt wird.Each work area is under a local working pressure pA, which is generated by the other work areas located in the pipe above the respective work area.
Entsprechend der Anzahl der oberhalb eines einzelnen Arbeitsbereiches befindlichen weiteren Arbeitsbereiche und dem dadurch in einem einzelnen Arbeitsbereich herrschenden lokalen Arbeitsdruck pA ist das Arbeitsmittel AM in einer Entspannungsverdampfung - bei gleichzeitiger Vergrößerung des Volumens des Arbeitsbereiches - teilweise (unterer und mittlerer Bereich) oder vollständig (oberer Bereich) verdampft und abgekühlt. Die für das vollständige Verdampfen des Arbeitsmittels benötigte thermische Energie wird dem Wärmemedium entzogen sodass dieses ebenfalls abgekühlt wird (siehe
Durch Zuführung neuer Arbeitsbereiche (siehe
Das verringert den lokalen Arbeitsdruck pA für alle nachfolgenden Arbeitsbereiche.This reduces the local working pressure pA for all subsequent work areas.
Diese Druckverringerung führt bei allen Arbeitsbereichen im Rohr zu kleinen Entspannungsverdampfungen und damit kleinen Volumenvergrößerungen jedes einzelnen Arbeitsbereiches und folglich einem Anheben aller darüber befindlichen Arbeitsbereiche.This pressure reduction leads to small expansion evaporations in all work areas in the pipe and thus small volume increases in each individual work area and consequently a lifting of all work areas above.
Die Summe dieser vielen kleinen Volumenvergrößerungen ergibt eine große Volumenvergrößerung, die den obersten Arbeitsbereich stark anhebt (siehe
Damit dieser Vorgang sich kontinuierlich wiederholt, werden auf dem unteren Niveau ständig neue Arbeitsbereiche mit warmem Arbeitsmittel und warmem Wärmemedium unter einem Dosierdruck pD zugeführt.In order for this process to be repeated continuously, new work areas with warm working fluid and warm heating medium are constantly supplied at the lower level at a metering pressure pD.
Die in
Durch die Verdampfung des Arbeitsmittels während der Bewegung vom unteren zum oberen Niveau unterliegt das Arbeitsgemisch einer ständigen Veränderung des Mischungsverhältnisses bis auf dem oberen Niveau das Arbeitsmittel vollständig verdampft ist und das Wärmemedium allein als Flüssigkeit verbleibt.Due to the evaporation of the working fluid during the movement from the lower to the upper level, the working mixture is subject to a constant change in the mixing ratio until the working fluid has completely evaporated at the upper level and the heat medium remains solely as a liquid.
Die Betrachtung von Wärmemedium und Arbeitsmittel als Arbeitsgemisch legt die Möglichkeit einer vorteilhaften Optimierung des in
In
Im Ergebnis der Optimierung ist nur noch ein einteiliger zweiter Energiewandler 34 und ein einteiliger Wärmetauscher 31 anstelle von zweigeteiltem zweitem Energiewandler und Wärmetauscher nach
Das in
Es können dadurch Höhen von mehreren hundert Meter bis über 1000 Meter erforderlich werden. Dies kann gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung des ersten Energiewandlers (siehe
Das Gewichtsmedium bewirkt - bei ansonsten gleichen Abläufen wie zu
In
Der in
Die thermodynamischen Abläufe des E-TLC2-Prozesses nach
Die durch die geringere Höhe der Gesamtsysteme 15 und 16 verringerte Druckdifferenz zwischen den Punkten 7 und 2 wird für den zweiten Energiewandler 34 durch ein größeres Volumen aus Arbeitsmittel, Wärmemedium und Gewichtsmedium kompensiert (siehe
Von besonderem Vorteil ist, dass der weiterentwickelte erste Energiewandler auch in einer Betriebsart ohne Gewichtsmedium betrieben werden kann und damit der nutzbare Temperaturbereich hin zu niedrigeren Temperaturen ausgedehnt wird.It is particularly advantageous that the further developed first energy converter can also be operated in an operating mode without a weight medium, thus extending the usable temperature range to lower temperatures.
Wie in
Dies kann durch die Nutzung von Arbeitsgemisch als Gewichtsmedium wie in
Unter Ausnutzung der unterschiedlichen Dichte von Arbeitsmedium und Wärme- bzw. Gewichtsmedium sind verschiedene Gestaltungsvarianten des Gesamtsystems zur Umwandlung von thermischer Energie in technisch nutzbare Energie, möglich. Je nach Einsatzbereich (Quelle der Niedertemperaturwärme, Wärmesenke, Temperaturdifferenz) sind dadurch technische Vorteile erzielbar.By taking advantage of the different densities of the working medium and the heat or weight medium, various design variants of the overall system for converting thermal energy into technically usable energy are possible. Depending on the area of application (source of low-temperature heat, heat sink, temperature difference), technical advantages can be achieved.
So kann, wie in
Allerdings sinkt hierdurch die abzugebende technisch nutzbare Energiemenge.However, this reduces the technically usable amount of energy to be released.
Das Prinzip und die einfache Technik des ersten Energiewandlers 25 und des weiterentwickelten ersten Energiewandlers 26 zur Wandlung thermischer Energie in potentielle Energie erlaubt es, beliebig viele aufwärts führende Rohre zur Energiewandlung parallel zu bauen (siehe
Dies hat den Vorteil, dass auch bei niedrigen Temperaturdifferenzen zwischen der Niedertemperaturquelle und der Dampfverflüssigungstemperatur und dem damit verbundenem kleinen Wirkungsgrad trotzdem große Wärmemengen umgesetzt und daraus technisch nutzbare Energie gewonnen werden kann.This has the advantage that even with low temperature differences between the low-temperature source and the steam liquefaction temperature and the associated low efficiency, large amounts of heat can still be converted and technically usable energy can be obtained from it.
Mit einer Parallelisierung sind Leistungen bis weit in den Megawattbereich erzielbar.With parallelization, outputs well into the megawatt range can be achieved.
Mit der Nutzung des neuartigen E-TLC-Prozesses, des erfindungsgemäßen ersten Energiewandlers, des weiterentwickelten erfindungsgemäßen ersten Energiewandlers sowie der Parallelisierung des ersten und des weiterentwickelten ersten Energiewandlers:
- Erfolgt durch das Prinzip der frei beweglichen Kolben eine selbsttätige Anpassung der p-V-Kennlinie der ersten Energiewandler an die p-V-Verdampfungskennlinie des Arbeitsmittels
- Ist eine stufenlose Volumenvergrößerung von mehr als 1:100 möglich (Ausgangsvolumen des flüssigen warmen Arbeitsmittels zu Endvolumen des verdampften gasförmigen Arbeitsmittels)
- ist eine stufenlose Druckentspannung von mehr als 1:10 möglich
(maximaler Arbeitsdruck auf dem unteren Niveau zu minimalem Arbeitsdruck auf dem oberen Niveau) - Wird durch einen sehr langsamen Druckabbau von mehreren Sekunden bis Minuten (Zeit zwischen Beginn und Ende der Entspannungsverdampfung des Arbeitsmittels) eine explosionsartige Verdampfung des Arbeitsmittels und nachfolgende Tröpfchenerosion, die zu Bauteilzerstörungen führen kann, vermieden
- Werden durch geringe Druckunterschiede von weit weniger als 0,001MPa (0,01bar) zwischen der Kolbenoberseite und der Kolbenunterseite die technischen Anforderungen an die Kolbendichtungen deutlich gesenkt und Spaltverluste weitestgehend reduziert
- Sind durch mehrere parallel arbeitende erste Energiewandler Leistungen bis weit in den Megawatt-Bereich möglich
- Ist durch Änderung der zugeführten Mengen des Arbeitsmittels, des Wärmemediums, des Gewichtsmediums oder der Betriebsweise im weiterentwickelten ersten Energiewandler eine einfache Anpassung an Veränderungen der externen Temperatur der Niedertemperaturwärmequelle und/oder der Temperatur der Dampfverflüssigung möglich
- können bereits geringe Temperaturdifferenzen von 10°K zur Energiegewinnung ausgenutzt werden
- ist ein flexibler Tag/Nacht-Betrieb sowie ein flexibler Sommer/Winter-Betrieb mit Anpassung an die sich verändernden Temperaturen der Niedertemperaturwärmequelle oder der Dampfverflüssigungstemperatur möglich
- The principle of freely movable pistons automatically adapts the pV characteristic curve of the first energy converter to the pV evaporation characteristic curve of the working medium
- Is a continuous volume increase of more than 1:100 possible (initial volume of the liquid warm working fluid to final volume of the evaporated gaseous working fluid)
- A continuous pressure relief of more than 1:10 is possible
(maximum working pressure at the lower level to minimum working pressure at the upper level) - A very slow pressure reduction of several seconds to minutes (time between the start and end of the flash evaporation of the working fluid) avoids explosive evaporation of the working fluid and subsequent droplet erosion, which can lead to component destruction
- Through small pressure differences of far less than 0.001 MPa (0.01 bar) between the top of the piston and the bottom of the piston, the technical requirements for the piston seals are significantly reduced and gap losses are largely reduced
- With several first energy converters working in parallel, outputs well into the megawatt range are possible
- Is it possible to easily adapt to changes in the external temperature of the low-temperature heat source and/or the temperature of the steam liquefaction by changing the supplied quantities of the working medium, the heat medium, the weight medium or the operating mode in the further developed first energy converter
- Even small temperature differences of 10°K can be used to generate energy
- Flexible day/night operation and flexible summer/winter operation are possible with adaptation to the changing temperatures of the low-temperature heat source or the steam liquefaction temperature
Die Vorteile des erfindungsgemäßen zweistufigen E-TLC2-Verfahrens zur Wandlung von thermischer Energie nach dem E-TLC2-Prozess in technisch nutzbare Energie sind:
- die thermodynamisch anspruchsvollen Vorgänge der Wandlung der thermischen Energie nach dem E-TLC-Prozess in eine andere Energieform werden von der Wandlung in technisch nutzbare mechanische Energie entkoppelt (vergleichbar der Trennung von Dampferzeugung und Turbine in klassischen Wärmekraftwerken)
- die technische Komplexität einer Vorrichtung zur Umwandlung thermischer Energie in technisch nutzbare Energie wird im Vergleich zum Stand der Technik deutlich reduziert, da jede der beiden Energiewandlungsstufen für ihre jeweilige Aufgabe optimiert werden kann
- Der zu Prozessbeginn erforderliche Arbeitsdruck für das Arbeitsmittel, das Wärmemedium und ggf. das Gewichtsmedium wird verfahrens- und vorrichtungsintern ohne die nach dem Stand der Technik erforderliche Druckpumpe erzeugt
- dies senkt die technisch bedingten Verluste, erhöht den technischen Wirkungsgrad und bringt ökonomische Vorteile
- je nach Einsatzfall kann aus verschiedenen Bauweisen des Gesamtsystems die optimale Bauform zur Realisierung eines E-TLC2-Prozesses ausgewählt werden
- The thermodynamically demanding processes of converting thermal energy into another form of energy according to the E-TLC process are decoupled from the conversion into technically usable mechanical energy (comparable to the separation of steam generation and turbine in classic thermal power plants)
- The technical complexity of a device for converting thermal energy into technically usable energy is significantly reduced compared to the prior art, since each of the two energy conversion stages can be optimized for its respective task
- The working pressure required at the start of the process for the working fluid, the heat medium and, if applicable, the weight medium is generated within the process and device without the pressure pump required according to the prior art
- This reduces technical losses, increases technical efficiency and brings economic advantages
- Depending on the application, the optimal design for implementing an E-TLC2 process can be selected from various designs of the entire system
- Fig. 1 -Fig. 1 -
- Thermodynamik des TLC-Prozesses nach dem Stand der TechnikThermodynamics of the TLC process according to the state of the art
- Fig. 2 -Fig. 2 -
- Prinzipaufbau eines Systems zur Nutzung des TLC-Prozesses nach dem Stand der TechnikPrinciple structure of a system for using the TLC process according to the state of the art
- Fig. 3 -Fig. 3 -
- Thermodynamik des neuartigen E-TLC-ProzessesThermodynamics of the novel E-TLC process
- Fig. 4 -Fig. 4 -
- Thermodynamik des neuartigen E-TLC2-ProzessesThermodynamics of the novel E-TLC2 process
- Fig. 5 -Fig. 5 -
-
Darstellung Gesamtsystem 11 nach dem E-TLC2-ProzessRepresentation of the
entire system 11 according to the E-TLC2 process - Fig. 6 -Fig. 6 -
-
Funktionsprinzip erster Energiewandler 25Functional principle of the
first energy converter 25 - Fig. 7 -Fig. 7 -
-
Darstellung optimiertes Gesamtsystem 12 mit Mischkammer 33Representation of optimized
overall system 12 with mixingchamber 33 - Fig. 8 -Fig. 8 -
-
Darstellung Gesamtsystem 13 mit ersten Energiewandler 25 bei reduzierter HöheRepresentation of the
entire system 13 with thefirst energy converter 25 at a reduced height - Fig. 9 -Fig. 9 -
-
Darstellung Gesamtsystem 14 mit reduzierter Höhe und Druckerhöhungspumpe 35Representation of the
entire system 14 with reduced height andpressure booster pump 35 - Fig. 10 -Fig. 10 -
-
Funktionsprinzip weiterentwickelter erster Energiewandler 26Functional principle of further developed
first energy converter 26 - Fig. 11 -Fig. 11 -
-
Darstellung Gesamtsystem 15 mit weiterentwickeltem ersten Energiewandler 26Representation of the
entire system 15 with further developedfirst energy converter 26 - Fig. 12 -Fig. 12 -
-
Darstellung Gesamtsystem 16 mit weiterentwickeltem ersten Energiewandler 26 und Mischkammer 33Representation of the
entire system 16 with a further developedfirst energy converter 26 and mixingchamber 33 - Fig. 13 -Fig. 13 -
-
Darstellung Gesamtsystem 17 mit weiterentwickeltem ersten Energiewandler 26 und Arbeitsgemisch als GewichtsmediumRepresentation of the
entire system 17 with a further developedfirst energy converter 26 and working mixture as a weight medium - Fig. 14 -Fig. 14 -
-
Darstellung Gesamtsystem 18 mit weiterentwickeltem ersten Energiewandler 26 bei reduzierter HöheRepresentation of the
entire system 18 with a further developedfirst energy converter 26 at a reduced height - Fig. 15 -Fig. 15 -
-
Darstellung Gesamtsystem 19 mit weiterentwickeltem ersten Energiewandler 26 und Mischkammer 33 bei reduzierter HöheRepresentation of the
entire system 19 with a further developedfirst energy converter 26 and mixingchamber 33 at a reduced height - Fig. 16 -Fig. 16 -
-
Darstellung Gesamtsystem 20 mit weiterentwickeltem ersten Energiewandler 26 und Druckerhöhungspumpe 35 bei reduzierter HöheRepresentation of the
entire system 20 with a further developedfirst energy converter 26 andpressure booster pump 35 at a reduced height - Fig. 17 -Fig. 17 -
-
Darstellung Gesamtsystem 12 mit mehreren parallelen ersten Energiewandlern 25Representation of the
entire system 12 with several parallelfirst energy converters 25 - Fig. 18 -Fig. 18 -
- Thermodynamik des modifizierten mE-TLC2-ProzessesThermodynamics of the modified mE-TLC2 process
- Fig. 19 -Fig. 19 -
-
Darstellung Gesamtsystem 211 nach dem mE-TLC2-Prozess mit ersten Energiewandler 25Representation of the
entire system 211 according to the mE-TLC2 process with thefirst energy converter 25 - Fig. 20 -Fig. 20 -
-
Darstellung Gesamtsystem 212 nach dem mE-TLC2-Prozess mit ersten Energiewandler 25 und ArbeitsgemischRepresentation of the
entire system 212 according to the mE-TLC2 process with thefirst energy converter 25 and working mixture - Fig. 21 -Fig. 21 -
-
Darstellung Gesamtsystem 216 nach dem mE-TLC2-Prozess mit ersten Energiewandler 26 und ArbeitsgemischRepresentation of the
entire system 216 according to the mE-TLC2 process with thefirst energy converter 26 and working mixture - Fig. 22 -Fig. 22 -
-
Darstellung Gesamtsystem 219 nach dem mE-TLC2-Prozess mit ersten Energiewandler 26 und Arbeitsgemisch bei reduzierter HöheRepresentation of the
entire system 219 according to the mE-TLC2 process with thefirst energy converter 26 and working mixture at reduced height - Fig. 23 -Fig. 23 -
-
Darstellung erster Energiewandler 25Representation of the
first energy converter 25 - Fig. 24 -Fig. 24 -
-
Darstellung erste Energiewandler 25 mit Zuführung ArbeitsgemischRepresentation of the
first energy converter 25 with supply of working mixture - Fig. 25 -Fig. 25 -
-
Darstellung weiterentwickelter erster Energiewandler 26Representation of further developed
first energy converters 26 - Fig. 26 -Fig. 26 -
-
Darstellung weiterentwickelter erster Energiewandler 26 mit Zuführung ArbeitsgemischRepresentation of further developed
first energy converter 26 with supply of working mixture - Fig. 27 -Fig. 27 -
-
Darstellung der Variation möglicher Betriebszustände der ersten Energiewandler 25 und 26 im T-S-DiagrammRepresentation of the variation of possible operating states of the
25 and 26 in the T-S diagramfirst energy converters - Fig. 28 -Fig. 28 -
- Darstellung möglicher Gestaltungsvarianten des Rohrsystems auf dem unteren bzw. oberen NiveauRepresentation of possible design variants of the pipe system on the lower and upper levels
- AB - ArbeitsbereichAB - work area
- AG - Arbeitsgemisch aus Wärmemedium und Arbeitsmittel, allgemein verwendetAG - working mixture of heat medium and working fluid, generally used
- AM - Arbeitsmittel, allgemein verwendetAM - work equipment, commonly used
- GB - GewichtsbereichGB - weight range
- H - FallhöheH - height of fall
- WM - Wärmemedium, allgemein verwendetWM - heat medium, commonly used
- pA - ArbeitsdruckpA - working pressure
- pD - DosierdruckpD - dosing pressure
- pK - Druck KolbenstapelpK - pressure piston stack
- Ziffer ohne Zusatz kennzeichnet Zustandspunkt für das ArbeitsmittelNumber without addition indicates status point for the work equipment
- Zusatz "..wm" kennzeichnet Zustandspunkt für das WärmemediumThe addition "..wm" indicates the status point for the heat medium
- Zusatz "..gm" kennzeichnet Zustandspunkt für das GewichtsmediumThe addition "..gm" indicates the status point for the weight medium
- Zusatz "..ag" kennzeichnet Zustandspunkt für das Arbeitsgemisch aus Wärmemedium und ArbeitsmittelThe addition "..ag" indicates the status point for the working mixture of heat medium and working fluid
-
11 - Gesamtsystem mit erstem Energiewandler 25 und interner Erzeugung eines Arbeitsgemisches11 - Overall system with
first energy converter 25 and internal generation of a working mixture -
12 - Gesamtsystem mit erstem Energiewandler 25 und externer Erzeugung eines Arbeitsgemisches12 - Overall system with
first energy converter 25 and external generation of a working mixture -
13 - Gesamtsystem mit erstem Energiewandler 25, externer Erzeugung eines Arbeitsgemisches bei reduzierter Höhe13 - Overall system with
first energy converter 25, external generation of a working mixture at reduced height -
14 - Gesamtsystem mit erstem Energiewandler 25, externer Erzeugung eines Arbeitsgemisches bei reduzierter Höhe und zusätzlicher Druckerhöhungspumpe 3514 - Overall system with
first energy converter 25, external generation of a working mixture at reduced altitude and additionalpressure booster pump 35 -
15 - Gesamtsystem mit weiterentwickeltem erstem Energiewandler 26, interner Erzeugung eines Arbeitsgemisches und Wärmemedium als Gewichtsmedium15 - Overall system with further developed
first energy converter 26, internal generation of a working mixture and heat medium as a weight medium -
16 - Gesamtsystem mit weiterentwickeltem erstem Energiewandler 26, externer Erzeugung eines Arbeitsgemisches und Wärmemedium als Gewichtsmedium16 - Overall system with further developed
first energy converter 26, external generation of a working mixture and heat medium as a weight medium -
17 - Gesamtsystem mit weiterentwickeltem erstem Energiewandler 26, externer Erzeugung eines Arbeitsgemisches und Arbeitsgemisch als Gewichtsmedium17 - Overall system with further developed
first energy converter 26, external generation of a working mixture and working mixture as a weight medium -
18 - Gesamtsystem mit weiterentwickeltem erstem Energiewandler 26, externer Erzeugung eines Arbeitsgemisches mit Druckaufbau durch Arbeitsmittel und Wärmemedium als Gewichtsmedium bei reduzierter Höhe18 - Overall system with further developed
first energy converter 26, external generation of a working mixture with pressure build-up through working fluid and heat medium as a weight medium at a reduced height -
19 - Gesamtsystem mit weiterentwickeltem erstem Energiewandler 26, externer Erzeugung eines Arbeitsgemisches mit Druckaufbau durch Arbeitsgemisch und Wärmemedium als Gewichtsmedium bei reduzierter Höhe19 - Overall system with further developed
first energy converter 26, external generation of a working mixture with pressure build-up through working mixture and heat medium as a weight medium at reduced height -
20 - Gesamtsystem mit weiterentwickeltem erstem Energiewandler 26, externer Erzeugung eines Arbeitsgemisches, Wärmemedium als Gewichtsmedium sowie zusätzlicher Druckerhöhungspumpe 35 für das Arbeitsmittel bei reduzierter Höhe20 - Overall system with a further developed
first energy converter 26, external generation of a working mixture, heat medium as a weight medium and additionalpressure booster pump 35 for the working medium at a reduced height - 25 - Erster Energiewandler thermische zu potentielle Energie25 - First energy converter thermal to potential energy
- 26 - Weiterentwickelter erster Energiewandler thermische zu potentielle Energie26 - Further developed first energy converter thermal to potential energy
- 31 - Wärmetauscher zur Aufnahme von Wärmeenergie31 - Heat exchanger for absorbing thermal energy
- 32 - Dampfverflüssiger für Arbeitsmitteldampf32 - Steam condenser for working medium steam
- 33 - Mischkammer für Arbeitsmedium und Wärmemedium33 - mixing chamber for working medium and heating medium
- 34 - Zweiter Energiewandler, potentielle zu technisch nutzbare Energie34 - Second energy converter, potential to technically usable energy
- 35 - Druckerhöhungspumpe35 - booster pump
- 40 - Zuführungen, allgemein40 - Feeders, general
- 41 - Zuführung Gewichtsmedium41 - Feed weight medium
- 51 - Arbeitsmittel, flüssig, kalt51 - Working fluid, liquid, cold
- 52 - Arbeitsmittel, flüssig, warm52 - Working fluid, liquid, warm
- 53 - Arbeitsmittel, dampfförmig, warm53 - Working fluid, vaporous, warm
- 54 - Arbeitsmittel, dampfförmig, kalt54 - Working fluid, vaporous, cold
- 55 - Wärmemedium, flüssig, kalt55 - heat medium, liquid, cold
- 56 - Wärmemedium, flüssig, warm56 - heat medium, liquid, warm
- 58 - Arbeitsgemisch aus Wärmemedium und Arbeitsmedium, kalt58 - Working mixture of heat medium and working medium, cold
- 59 - Arbeitsgemisch aus Wärmemedium und Arbeitsmedium, warm59 - Working mixture of heat medium and working medium, warm
- 60 - Gewichtsmedium, flüssig60 - Weight medium, liquid
- 110 - Rohrbogen, unteres Niveau110 - pipe bend, lower level
- 120 - Einbringvorrichtung, allgemein120 - Insertion device, general
- 121 - Einbringvorrichtung für Arbeitsmittel und Wärmemedium bzw. Arbeitsgemisch121 - Introduction device for working fluid and heat medium or working mixture
- 122 - Einbringvorrichtung für Arbeitsmittel und Wärmemedium bzw. Arbeitsgemisch sowie Gewichtsmedium122 - Introduction device for working fluid and heat medium or working mixture and weight medium
- 125 - Kolben-Stopvorrichtung125 - piston stop device
- 126 - Dosiervorrichtung126 - dosing device
- 130 - Aufstiegsrohr130 - rise pipe
- 140 - Rohrbogen, oberes Niveau140 - Pipe elbow, upper level
- 150 - Separierungsvorrichtung zur Trennung von Flüssigkeiten und Arbeitsmitteldampf150 - Separation device for separating liquids and working medium vapor
- 160 - Abstiegsrohr160 - descent pipe
- 170 - Einzelkolben170 - single piston
- 171 - Kolbenstapel171 - piston stack
Wesentliches Merkmal des neuartigen E-TLC-Prozesses nach
Der TLC-Prozess nach Smith (
Beim E-TLC Prozess wird dem Arbeitsmittel durch das erwärmte Wärmemedium während der Phase der Entspannungsverdampfung ein wesentlicher Teil der zum vollständigen Verdampfen benötigten thermischen Energie zugeführt (siehe
Das Arbeitsmittel durchläuft damit eine polytrope Entspannungsverdampfung (vgl.
Durch die Nutzung eines separaten Wärmemediums mit anderen, vorteilhaften physikalischen und chemischen Eigenschaften (z.B. Dichte, Wärmekapazität) sowie der gezielten Mischung von Arbeitsmittel und Wärmemedium zu einem Arbeitsgemisch AM ergeben sich jedoch völlig neue Ansätze für die technische Realisierung einer Vorrichtung zur Umwandlung von Niedertemperatur-Wärme in eine technisch nutzbare Energieform wie sie mit Nutzung eines reinen Arbeitsmittels nach dem TLC-Prozess nicht möglich wären.However, the use of a separate heat medium with different, advantageous physical and chemical properties (e.g. density, heat capacity) as well as the targeted mixing of working medium and heat medium to form a working mixture AM results in completely new approaches for the technical implementation of a device for converting low-temperature heat into a technically usable form of energy that would not be possible using pure work equipment according to the TLC process.
Die nachfolgende Beschreibung stellt die Arbeitsweise des Gesamtsystems 11 (
Auf Unterschiede wird im Text eingegangen. Die Beschreibung der thermodynamischen Schritte folgt dabei dem Verlauf des E-TLC2-Prozesses nach
Die Gesamtsysteme 12 (
Zum besseren Verständnis sind in den Abbildungen 5,7,11 und 12 die T-S-Diagramme und die p-V-Diagramme des jeweiligen Gesamtprozesses, getrennt nach Arbeitsmittel (ohne Index), Wärmemedium (Index "wm"), Gewichtsmedium (Index "gm") bzw. Arbeitsgemisch (Index "ag") dargestellt.For better understanding, Figures 5, 7, 11 and 12 show the TS diagrams and the pV diagrams of the respective overall process, separated by work medium (without index), heat medium (index "wm"), weight medium (index "gm") or working mixture (index "ag").
Die schraffierte Fläche in den p-V-Diagrammen entspricht dabei der in technisch nutzbare Arbeit umgesetzten thermischen Energie des jeweiligen Mediums. Die Summe der umgewandelten thermischen Energie ist für alle Gesamtsysteme bei gleichen Eingangsparametern (Menge der aufgenommenen thermischen Energie) gleich groß.The hatched area in the p-V diagrams corresponds to the thermal energy of the respective medium converted into technically usable work. The sum of the converted thermal energy is the same for all overall systems with the same input parameters (amount of thermal energy absorbed).
Die Gesamtsysteme 13,14 (
Die erfindungsgemäßen Gesamtsysteme 11-14 (
Einem Wärmetauscher 31 zur Erwärmung des unterDruck stehenden Arbeitsmittels 52, des Wärmemediums 55 bzw. des Arbeitsgemisches 58 durch eine Niedertemperaturwärmequelle ohne Verdampfung des ArbeitsmittelsEinem ersten Energiewandler 25 zur Wandlung der aufgenommenen thermischen Energie in potentielle EnergieEiner Dampfverflüssigungsvorrichtung 32Einem zweiten Energiewandler 34 zur Wandlung der potentiellen Energie desArbeitsmittels 51, des Wärmemediums 55 bzw. des Arbeitsgemisches 58 in eine technisch nutzbare EnergieformZuführungen 40 zur Verbindung der einzelnen Bestandteile- Zusätzlich weisen die Gesamtsysteme 12-14
eine Mischkammer 33 zur Herstellung eines Arbeitsgemisches 58 auf
- A
heat exchanger 31 for heating the pressurized workingfluid 52, theheat medium 55 or the workingmixture 58 by a low-temperature heat source without evaporation of the working fluid - A
first energy converter 25 for converting the absorbed thermal energy into potential energy - A
vapor liquefaction device 32 - A
second energy converter 34 for converting the potential energy of the workingfluid 51, theheat medium 55 or the workingmixture 58 into a technically usable form of energy -
Feeds 40 for connecting the individual components - In addition, the overall systems 12-14 have a mixing
chamber 33 for producing a workingmixture 58
Die erfindungsgemäßen weiterentwickelten Gesamtsysteme 15-20 (
Einem Wärmetauscher 31 zur Erwärmung des unterDruck stehenden Arbeitsmittels 51, des Wärmemediums 55 bzw. des Arbeitsgemisches 58 durch eine Niedertemperaturwärmequelle ohne Verdampfung- Einem weiterentwickelten ersten Energiewandler 26 zur Wandlung der aufgenommenen thermischen Energie in potentielle Energie
Einer Dampfverflüssigungsvorrichtung 32Einem zweiten Energiewandler 34 zur Wandlung der potentiellen Energie des Wärmemediums, des Arbeitsmittels, des Gewichtsmediums bzw. des Arbeitsgemisches in eine technisch nutzbare EnergieformZuführungen 40 zur Verbindung der einzelnen BestandteileEiner Zuführung 41 zurZuführung von Gewichtsmedium 60 zum weiterentwickelten ersten Energiewandler 26- Zusätzlich weisen die Gesamtsysteme 16-20
eine Mischkammer 33 zur Herstellung eines Arbeitsgemisches 58 auf
- A
heat exchanger 31 for heating the pressurized workingmedium 51, theheating medium 55 or the workingmixture 58 by a low-temperature heat source without evaporation - A further developed
first energy converter 26 for converting the absorbed thermal energy into potential energy - A
vapor liquefaction device 32 - A
second energy converter 34 for converting the potential energy of the heat medium, the working medium, the weight medium or the working mixture into a technically usable form of energy -
Feeds 40 for connecting the individual components - A
feed 41 for feedingweight medium 60 to the further developedfirst energy converter 26 - In addition, the overall systems 16-20 have a mixing
chamber 33 for producing a workingmixture 58
Nicht in den Abbildungen dargestellt werden verschiedene Hilfssysteme, da ihre Position und Funktion vielfältig gelöst werden kann.Various auxiliary systems are not shown in the illustrations, as their position and function can be solved in many different ways.
Hilfssysteme können z.B. sein:
- Absaugung von nicht kondensierbaren Gasen
- Filtersysteme zur Reinigung des Arbeitsmittels und des Wärmemediums von Fremdstoffen
- Austreiber zur vollständigen Trennung von Arbeitsmittel und Wärmemedium
- Meßsensoren sowie Prozess-Steuerungs- und Regeltechnik
- Vorratsbehälter
- Wärmespeicher
- Extraction of non-condensable gases
- Filter systems for cleaning the working fluid and the heat medium from foreign substances
- Expeller for complete separation of working fluid and heat medium
- Measuring sensors as well as process control and regulation technology
- storage container
- Heat storage
In allen Gesamtsystemen 11-20 erfolgt die Umwandlung der thermischen Energie in technisch nutzbare Energie nach dem E-TLC2-Prozess (siehe
- Schritt a: Isobares Erwärmen (
Fig.4 : Pkt.2 - Pkt.3) des unter Dosierdruck (pD) stehenden flüssigen Arbeitsmittels und des unter Dosierdruck (pD) stehenden flüssigen Wärmemedium (55) - die auch als Arbeitsgemisch (58) vorliegen können - aus einer Niedertemperaturwärmequelle ohne Verdampfung des Arbeitsmittels - Schritt b: Polytrope Umwandlung (
Fig.4 : Pkt.3 - Pkt.5) der aufgenommenen thermischen Energie in mindestens einem ersten Energiewandler 25 oder 26 in potentielle Energie - Schritt c: Isobares Kondensieren (
Fig.4 : Pkt.5 - Pkt.1) des vollständig verdampften Arbeitsmittels - Schritt d: Isochore Umwandlung (
Fig.4 : Pkt.1 - Pkt.7) der gewonnenen potentiellen Energie über die Fallhöhe H in statischen Druck - Schritt e: Isochore Umwandlung (
Fig.4 : Pkt.7 - Pkt.2) eines Teils des statischen Druckes im zweiten Energiewandler 34 in technisch nutzbare mechanische Energie
- Step a: Isobaric heating (
Fig.4 : Point 2 - Point 3) of the liquid working fluid under metering pressure (pD) and the liquid heat medium (55) under metering pressure (pD) - which can also be present as a working mixture (58) - from a low-temperature heat source without evaporation of the working fluid - Step b: Polytropic conversion (
Fig.4 : Point 3 - Point 5) of the thermal energy absorbed in at least one 25 or 26 into potential energyfirst energy converter - Step c: Isobaric condensation (
Fig.4 : Point 5 - Point 1) of the completely evaporated working fluid - Step d: Isochoric conversion (
Fig.4 : Point 1 - Point 7) of the potential energy gained over the fall height H in static pressure - Step e: Isochoric conversion (
Fig.4 : Point 7 - Point 2) part of the static pressure in thesecond energy converter 34 into technically usable mechanical energy
Startpunkt des Energieumwandlungsprozesses ist Punkt 2 des E-TLC2-Prozesses (siehe
Das kalte flüssige Arbeitsmittel 51 und das kalte Wärmemedium 55 (Gesamtsystem 11,15) bzw. das kalte Arbeitsgemisch (Gesamtsystem12-14,16-20) stehen unter Druck und werden durch Zuführungen 40 dem Wärmetauscher 31 zur Aufnahme von thermischer Energie aus der Niedertemperaturwärmequelle zugeführt und darin erwärmt ohne eine Verdampfung des Arbeitsmittels.The cold
Als Niedertemperaturwärmequelle können neben Erdwärme, Meereswärme, Solarwärme, Abwärme aus technischen Prozessen (z.B. Stahl- und Kunststoffindustrie), Wärme aus Kühlprozessen (z.B. Kühlhäuser, Rechenzentren) auch Wärme aus Verbrennungsprozessen (z.B. Reststoffverbrennung, Biogas) oder Restwärme anderer Prozesse (z.B. chemische Industrie) genutzt werden.In addition to geothermal heat, ocean heat, solar heat, waste heat from technical processes (e.g. steel and plastics industries), heat from cooling processes (e.g. cold storages, data centers), heat from combustion processes (e.g. waste incineration, biogas) or residual heat from other processes (e.g. chemical industry) can be used as low-temperature heat sources. be used.
Als Arbeitsmittel können hierbei, je nach Temperaturniveau und Temperaturdifferenz zwischen der genutzten Niedertemperaturwärmequelle und der verfügbaren Kondensationstemperatur, alle organischen und anorganischen Stoffe sowie Stoffmischungen zur Anwendung kommen, die den Temperaturbereich von der maximalen Temperatur der Niedertemperaturwärmequelle bis zur minimalen Temperatur der Dampfverflüssigung als Flüssigkeit ohne thermische Zersetzung und ohne zu gefrieren abdecken.Depending on the temperature level and the temperature difference between the low-temperature heat source used and the available condensation temperature, all organic and inorganic substances and mixtures of substances can be used as working materials Cover the temperature range from the maximum temperature of the low-temperature heat source to the minimum temperature of vapor liquefaction as a liquid without thermal decomposition and without freezing.
Bei der Auswahl des Arbeitsmittels ist zu beachten, dass chemische Reaktionen des Arbeitsmittels mit einzelnen Bestandteilen des Gesamtsystems vermieden werden.When selecting the work equipment, it is important to ensure that chemical reactions between the work equipment and individual components of the overall system are avoided.
Bevorzugtes Wärmemedium ist aufgrund seiner Wärmekapazität Wasser. Es können aber auch andere temperaturstabile Stoffe, die im vorgesehenen Temperaturbereich flüssig bleiben, sich nicht zersetzen oder gefrieren und keine chemische Reaktion oder anderweitige Wechselwirkung mit dem Arbeitsmittel eingehen, zum Einsatz kommen. Zudem sollte es keine chemischen Reaktionen des Wärmemediums mit einzelnen Bestandteilen des Gesamtsystems geben.The preferred heating medium is water due to its heat capacity. However, other temperature-stable substances that remain liquid in the intended temperature range, do not decompose or freeze and do not enter into a chemical reaction or other interaction with the work equipment can also be used. In addition, there should be no chemical reactions between the heat medium and individual components of the overall system.
Das aus dem Wärmetauscher 31 austretendende und auf gleiche Temperatur erwärmte Arbeitsmittel 52 und Wärmemedium 56 (Gesamtsystem 11,15) bzw. das erwärmte Arbeitsgemisch (Gesamtsystem 12-14,16-20) fließen anschließend durch thermisch isolierte Zuführungen 40 dem ersten Energiewandler 25 (Gesamtsystem 11-14) bzw. dem weiterentwickelten ersten Energiewandler 26 (Gesamtsystem 15-20) zu.The working
In den weiterentwickelten Gesamtsystemen 15-20 (
Bevorzugtes Gewichtsmedium ist das Wärmemedium, bevorzugt Wasser, aufgrund seiner hohen Dichte. Es kann aber auch kaltes Arbeitsgemisch (siehe Gesamtsystem 17), reines Arbeitsmittel oder eine zusätzliche Flüssigkeit als Gewichtsmedium zum Einsatz kommen.The preferred weight medium is the heat medium, preferably water, due to its high density. However, cold working mixture (see overall system 17), pure working fluid or an additional liquid can also be used as a weight medium.
Letztere Varianten werden hier als technisch mögliche Lösungen erwähnt, aber nicht weiter ausgeführt.The latter variants are mentioned here as technically possible solutions, but are not explained further.
Im ersten Energiewandler 25 (Gesamtsystem 11-14) bzw. dem weiterentwickelten ersten Energiewandler 26 (Gesamtsystem 15-20) wird die aufgenommene thermische Energie des warmen Arbeitsmittels 52 und des warmen Wärmemediums 56 bzw. des entstandenen warmen Arbeitsgemisches 59 entsprechend dem E-TLC- bzw. E-TLC2- Prozess (
Das Arbeitsmittel und das Wärmemedium bzw. das Gewichtsmedium (letzteres nur Gesamtsysteme 15-20) werden vom unteren zum oberen Bereich angehoben.The working medium and the heat medium or the weight medium (the latter only complete systems 15-20) are raised from the lower to the upper area.
Im oberen Bereich der ersten Energiewandler 25,26 ist das Arbeitsmittel entsprechend dem E-TLC bzw. E-TLC2-Prozess (
Das flüssig verbliebene Wärmemedium 55 ist ebenfalls abgekühlt.The remaining
Das verdampfte und abgekühlte Arbeitsmittel 54 und das flüssig verbliebene, kalte Wärmemedium 55 verlassen auf dem oberen Niveau den ersten Energiewandler 25 (Gesamtsystem 11-14) bzw. den weiterentwickelten ersten Energiewandler 26 (Gesamtsystem 15-20).The evaporated and cooled working
In den weiterentwickelten Gesamtsystemen 15-20 vermischt sich dabei das kalte Gewichtsmedium 60 mit dem kalten Wärmemedium 55 und vergrößert das Volumen des Wärmemediums 55.In the further developed overall systems 15-20, the cold weight medium 60 mixes with the
Das verdampfte Arbeitsmittel 54 strömt nach Verlassen der ersten Energiewandler 25 bzw. 26 der Dampfverflüssigungseinrichtung 32 zu und wird hier unter Reduzierung der Entropie (
Ggf. entstandene, nicht kondensierbare Gase werden hier abgesaugt.Any non-condensable gases that may arise are sucked out here.
Mit dem Austritt des Wärmemediums bzw. des Gewichtsmediums aus den ersten Energiewandlern 25 bzw. 26 und dem Austritt des verflüssigten Arbeitsmediums aus der Dampfverflüssigungseinrichtung 32 auf dem oberen Niveau des Gesamtsystems ist der Punkt 1 des E-TLC bzw. E-TLC2-Prozesses (
Das kalte Arbeitsmittel 51 und das kalte Wärmemedium 55 (inkl. Gewichtsmedium 60) sind jetzt abgekühlt und unter niedrigem Druck, die zuvor aufgenommene thermische Energie ist in potentielle Energie umgewandelt.The
Je nach Bauform des Gesamtsystems 11-20 fließen das Arbeitsmittel 51 und das Wärmemedium 55 (Inklusive Gewichtsmedium 60) auf verschiedenen Wegen unter Aufbau von statischem Druck zum unteren Niveau des Gesamtsystems zurück.Depending on the design of the overall system 11-20, the working
In den Gesamtsystemen 12 und 17 erfolgt zuvor in einer Mischkammer 33 eine vollständige, in den Gesamtsystemen 16 und 19 eine teilweise Mischung von Arbeitsmittel und Wärmemedium zu einem Arbeitsgemisch.In the
Zur Umwandlung der potentiellen Energie - in Form von hydrostatischem Druck vorliegend - in technisch nutzbare Energie fließen das Wärmemedium 55, das Arbeitsmittel 51 bzw. das Arbeitsgemisch 58 einem zweiten Energiewandler 34 zu. Hier erzeugen die Flüssigkeitssäulen einen hohen Druck (p-V Diagramm Punkte 7, 7wm, 7gm, 7ag). Dieser Druck wird im zweiten Energiewandler 34 teilweise in mechanische Bewegung umgesetzt, die nachfolgend z.B. in einem Generator in elektrische Energie umgesetzt, aber auch als mechanische Energie zum Antrieb von Maschinen verwendet werden kann.To convert the potential energy - in the form of hydrostatic pressure - into technically usable energy, the
In den Gesamtsystemen 11, 15 und 16 (
In den Gesamtsystemen 12-14 (
Eine Besonderheit stellen die Gesamtsysteme 13, 18 und 19 dar.The
Diese Systeme kennzeichnet eine reduzierte Bauhöhe zwischen Dampfverflüssigungseinrichtung 32 und Wärmetauscher 31, die dazu führt, dass der entstehende Flüssigkeitsdruck des Arbeitsmittels 51 bzw. des Arbeitsgemisches 58 auf dem unteren Niveau der Gesamtsystem dem am Punkt 2 erforderlichen Arbeitsdruck entspricht. Diese Bauform senkt den technischen Aufwand und Kosten. Die bisher zur Energiegewinnung genutzte Druckdifferenz zwischen dem - nicht mehr gegebenen - Punkt 7 und 2 verschwindet damit. Der - scheinbare - Verlust an potentieller Energie wird kompensiert durch das erforderliche größere Volumen des Gewichtsmediums zum Aufbau des Arbeitsdruckes pA im ersten Energiewandler 25 bzw. 26. D.h. die Summe der technisch nutzbaren Energiemenge bleibt - bei gleichen Eingangsbedingungen - gleich.These systems are characterized by a reduced height between the
Nach Austritt aus dem zweiten Energiewandler 34 steht das kalte Arbeitsmittel 51, das kalte Wärmemedium 55 (inkl. kaltem Gewichtsmedium 60) bzw. das kalte Arbeitsgemisch 58 unter einem gleich hohen, verbleibenden Restdruck (Punkt 2 des E-TLC2-Prozesses).After exiting the
Dieser Restdruck ist so hoch, dass das Arbeitsmittel 51 bei der nachfolgend Aufnahme von thermischer Energie im Wärmetauscher 31 nicht zu verdampfen beginnt.This residual pressure is so high that the working
Eine Ausnahme stellen die Gesamtsysteme 14 und 20 dar. Hier wurde die Höhe des Gesamtsystems soweit reduziert, dass der notwendige Arbeitsdruck am Punkt 2 nicht erreicht wird. Es wird daher eine zusätzliche Druckerhöhungspumpe 35 benötigt, um den erforderlichen Arbeitsdruck zu erreichen. Diese Lösung kann aus verschiedenen Gründen sinnvoll sein, verschlechtert aber den technischen Gesamtwirkungsgrad.The
Damit ist für alle Gesamtsysteme 11-20 der Ausgangspunkt des E-TLC2-Prozesses erreicht und der Kreislauf geschlossen.This means that the starting point of the E-TLC2 process has been reached for all overall systems 11-20 and the cycle is closed.
Beim Vergleich der p-V-Diagramme des Gesamtsystems 11 (
Bei gleicher Menge an zugeführter thermischer Energie wird in den Gesamtsysteme 11 und 15 jedoch immer die gleiche Menge an technisch nutzbarer Energie erzeugt.However, with the same amount of thermal energy supplied, the same amount of technically usable energy is always generated in the
Zur Steigerung der Leistung der Gesamtsysteme 11 bis 20 können mehrere erste Energiewandler 25 (siehe exemplarisch
Eine entsprechende Anpassung der Leistungsfähigkeit der gemeinsam genutzten Komponenten Wärmetauscher 31, Dampfverflüssiger 32, Mischkammer 33 sowie zweitem Energiewandler 34 wird dabei vorausgesetzt.A corresponding adjustment of the performance of the shared
Durch Abschaltung einzelner erster Energiewandler 25 bzw. 26 über einen Stop der Zuführung von Arbeitsmittel, Wärmemedium bzw. Arbeitsgemisch ist eine einfache Anpassung der Leistung der ersten Energiewandler 25 bzw. 26 an die Menge der verfügbaren thermischen Energie möglich. Eine zusätzliche Verwendung mehrerer, einzeln abschaltbarer Energiewandler 34 ist vorteilhaft.By switching off individual
Die Arbeitsweise der Gesamtsysteme 11 bis 20 basiert nur auf dem Druckunterschied zwischen dem Dampfdruck bei maximaler Arbeitstemperatur und dem Dampfdruck bei Dampfverflüssigungstemperatur.The operation of the
Die Gesamtsysteme 11-14 sind hierbei besonders vorteilhaft für geringe Temperaturdifferenzen, die Gesamtsysteme 15-20 für höhere Temperaturdifferenzen.The overall systems 11-14 are particularly advantageous for small temperature differences, the overall systems 15-20 for higher temperature differences.
Insbesondere dadurch, dass das weiterentwickelte Gesamtsystem 15 durch entsprechende Steuerung des weiterentwickelten ersten Energiewandlers 26 wie ein Gesamtsystem 11 betrieben werden kann, wird der Einsatzbereich des Gesamtsystems 15 wesentlich erweitert.In particular, because the further developed
Durch den breiten nutzbaren und variablen Temperaturbereich ist bei einer entsprechenden Temperatur der Niedertemperaturwärmequelle auch eine Weiternutzung der Kondensationswärme möglich.Due to the wide usable and variable temperature range, further use of the condensation heat is possible at a corresponding temperature of the low-temperature heat source.
So kann z.B. bei einer maximalen Arbeitstemperatur von 150°C und einer Kondensationstemperatur von 70°C die Kondensationswärme Heizungswasser erwärmen.For example, at a maximum working temperature of 150°C and a condensation temperature of 70°C, the condensation heat can heat heating water.
Die erzeugte Energiemenge des Gesamtsystems sinkt entsprechend. Der exergetische Wirkungsgrad des Gesamtsystems verändert sich entsprechend dem Grad der Nutzung der Kondensationswärme.The amount of energy generated by the entire system decreases accordingly. The exergetic efficiency of the entire system changes according to the degree of use of the condensation heat.
In Abhängigkeit von der Art der Niedertemperaturwärmequelle und dem Ort der Bereitstellung der Niedertemperaturwärme sind weitere spezielle Ausführungen der Gesamtsysteme 11 bis 20 möglich. In
Die Gesamtsysteme sind modifizierte Weiterentwicklungen der bereits vorher erläuterten Gesamtsysteme 11, 12, 16 und 19.The overall systems are modified further developments of the previously explained
Gemeinsames Merkmal der modifizierten Gesamtsysteme 211, 212, 216 und 219 ist, dass der Wärmetauscher 31 zum Einbringen der Niedertemperaturwärme zwischen dem unteren und dem oberen Niveau des Gesamtsystems angeordnet ist und sich teilweise oder ganz über die Fallhöhe H erstreckt.A common feature of the modified
Im Gesamtsystem 211 und 212 durchlaufen das zu erwärmende Arbeitsmittel 51, Wärmemedium 55 bzw. Arbeitsgemisch 58 unter gleichzeitigem Druckaufbau den vertikal angeordneten Wärmetauscher 31 und werden als bereits erwärmte Flüssigkeiten dem zweiten Energiewandler 34 zugeführt.In the
Nach Austritt des warmen Arbeitsmittels bzw. Arbeitsgemisches aus dem zweiten Energiewandler 34 kommt es zu keiner Verdampfung aufgrund des verbleibenden hohen Dosierdrucks pD. Anschließend wird das erwärmte Arbeitsmittel, Wärmemedium bzw. Arbeitsgemisch direkt dem ersten Energiewandler 25 zugeführt.After the warm working fluid or working mixture exits the
Im Gesamtsystem 216 und 219 durchläuft nur das Arbeitsgemisch 58 den Wärmetauscher 31. Das Gewichtsmedium 60 läuft ohne Erwärmung direkt zum zweiten Energiewandler 34.In the
In Gesamtsystem 216 läuft das Arbeitsgemisch weiter zum zweiten Energiewandler 34 zur Umwandlung von potentieller Energie in technisch nutzbare Energie. Nach Austritt des Arbeitsgemisches aus dem zweiten Energiewandler 34 kommt es zu keiner Verdampfung des Arbeitsmittels aufgrund des verbleibenden hohen Dosierdrucks pD.In the
In Gesamtsystem 219 mit reduzierter Höhe wird das erwärmte Arbeitsgemisch unter Aufbau des Dosierdruckes pD direkt dem ersten Energiewandler 26 zugeführt.In the
In
Die Umsetzung der thermischen Energie in technisch nutzbare Energie erfolgt im mE-TLC2-Prozess in den Verfahrensschritten:
- Schritt a: Polytrope Umwandlung (
Fig.3 : Pkt. 4' und 4") der thermischen Energie des erwärmten Arbeitsmittels und des erwärmten Wärmemediums in einem ersten Energiewandler 25 oder 26 in potentielle Energie - Schritt b: Isobares Kondensieren (
Fig.3 : Pkt.5 - Pkt.1) des vollständig verdampften Arbeitsmittels - Schritt c: Isochores Erwärmen (
Fig.3 : Pkt.1 - Pkt.7) des flüssigen Arbeitsmittels und des flüssigen Wärmemediums bzw. des Arbeitsgemisches aus einer Niedertemperaturwärmequelle bei gleichzeitigem Aufbau von statischem Druck über die Fallhöhe H ohne Verdampfung des Arbeitsmittels - Schritt d: Isotherme Umwandlung (
Fig.3 : Pkt.7 - Pkt.3) eines Teils des statischen Druckes im zweiten Energiewandler 34 in technisch nutzbare mechanische Energie
- Step a: Polytropic conversion (
Fig.3 :Points 4' and 4") of the thermal energy of the heated working fluid and the heated thermal medium in a 25 or 26 into potential energyfirst energy converter - Step b: Isobaric condensation (
Fig.3 : Point 5 - Point 1) of the completely evaporated working fluid - Step c: Isochoric heating (
Fig.3 : Point 1 - Point 7) of the liquid working medium and the liquid heat medium or the working mixture from a low-temperature heat source with simultaneous build-up of static pressure above the head H without evaporation of the working medium - Step d: Isothermal conversion (
Fig.3 : Point 7 - Point 3) part of the static pressure in thesecond energy converter 34 into technically usable mechanical energy
Der Punkt 2 des ursprünglichen E-TLC2-Prozesses nach
Der thermodynamische Ablauf des mE-TLC2-Prozesses stellt sich im Vergleich zum E-TLC2-Prozess nach
Im Vergleich zum E-TLC2-Prozess ist die in technisch nutzbare Arbeit umgesetzte thermische Energie des mE-TLC2-Prozesses bei gleichen Eingangsparametern (Menge der aufgenommenen thermischen Energie) gleich groß.Compared to the E-TLC2 process, the thermal energy converted into technically usable work in the mE-TLC2 process is the same with the same input parameters (amount of thermal energy absorbed).
Wesentliches Unterscheidungsmerkmal des mE-TLC2-Prozesses ist die geänderte Position des Wärmetauschers im Gesamtsystem und damit die geänderten Einsatzanforderungen an den Wärmetauscher 31 und den zweiten Energiewandler 34.The main distinguishing feature of the mE-TLC2 process is the changed position of the heat exchanger in the overall system and thus the changed application requirements for the
Die nachfolgende Beschreibung stellt die Arbeitsweise des ersten Energiewandlers 25 (
Der erfindungsgemäße erste Energiewandler 25 (
- Einem geschlossenen, aufwärts gerichteten Rohrsystem
mit einem Aufstiegsrohr 130 und einem Abstiegsrohr 160 verbunden durch einen unteren Rohrbogen 110 und einen oberen Rohrbogen 140 - Einer großen Anzahl von, in dem Rohrsystem frei umlaufenden, nicht kippenden
Kolben 170 - Einbringöffnungen und einer
Einbringvorrichtung 121 im unteren Bereich des Rohrsystems zumEinbringen von Wärmemedium 56 und Arbeitsmittel 52 (Fig. 23 ) bzw. Arbeitsgemisch 59 (Fig.24 ) - Auslassöffnungen und einer
Separierungsvorrichtung 150 auf dem oberen Niveau des Rohrsystems zum Auslassen des abgekühlten, flüssigen Wärmemediums 55 und des verdampften Arbeitsmittels 54
- A closed, upward pipe system with an
ascent pipe 130 and adescent pipe 160 connected by alower pipe bend 110 and anupper pipe bend 140 - A large number of
non-tilting pistons 170 rotating freely in the pipe system - Introduction openings and an
introduction device 121 in the lower region of the pipe system for introducingheat medium 56 and working fluid 52 (Fig. 23 ) or working mixture 59 (Fig.24 ) - Outlet openings and a
separation device 150 on the upper level of the pipe system for exhausting the cooled,liquid heat medium 55 and the evaporated workingfluid 54
Der weiterentwickelte erste Energiewandler 26 (
- einer erweiterten Einbringvorrichtung 122 auf dem unteren Niveau des Rohrsystems zum zusätzlichen Einbringen eines Gewichtsmedium 60
- an
extended introduction device 122 on the lower level of the pipe system for the additional introduction of aweight medium 60
Nicht in den Abbildungen dargestellt werden verschiedene Hilfs- und Zusatzsysteme, da ihre Position und Funktion vielfältig gelöst werden kann.Various auxiliary and additional systems are not shown in the illustrations, as their position and function can be solved in a variety of ways.
Hilfs- und Zusatzsysteme können z.B. sein:
- Startvorrichtung zur initialen Inbetriebsetzung des Prozesses
- Serviceeinrichtungen zum Befüllen der Energiewandler mit Kolben und Arbeitsmittel, Austausch defekter Kolben oder Reinigung des Arbeitsmittels (z.B. von Abrieb)
- Austreiber zur vollständigen Trennung von Arbeitsmittel und Wärmemedium
- Meßsensoren sowie Prozess-Steuerungs- und Regeltechnik
- Wärmespeicher
- Starting device for initial startup of the process
- Service facilities for filling the energy converters with pistons and working fluid, replacing defective pistons or cleaning the working fluid (e.g. from abrasion)
- Expeller for complete separation of working fluid and heat medium
- Measuring sensors as well as process control and regulation technology
- Heat storage
Startpunkt der Wandlung von thermischer Energie in potentielle Energie ist im unteren Bereich des Rohrsystems - beispielhaft dargestellt im unteren Rohrbogen 110.The starting point for the conversion of thermal energy into potential energy is in the lower area of the pipe system - shown as an example in the
Aus dem Abstiegsrohr 160 werden Kolben 170, die unter dem Druck pK (erzeugt durch das Gewicht des nachfolgenden Kolbenstapels 171) stehen, in die Einbringvorrichtungen 121 (
Der Einbringvorrichtung 121 bzw. 122 wird von außen das unter einem Dosierdruck pD - der ebenfalls größer ist als der maximale Arbeitsdruck pA - stehende erwärmte Arbeitsmittel 52, das erwärmte Wärmemedium 56 bzw. das erwärmte Arbeitsgemisch 59 zugeführt.The
In der Einbringvorrichtung 121 bzw. 122 wird das erwärmte Arbeitsmittel 52 und das erwärmte Wärmemedium 56 (
Bei den Gesamtsystemen nach
Zusätzlich wird in der Einbringvorrichtung 122 (
Die Menge der zugeführten Medien und der Zeitpunkt der Einbringung werden durch Dosiervorrichtungen 126 gesteuert. Zum sicheren Einbringen des Arbeitsmittels bzw. des Gewichtsmediums können in den Einbringvorrichtungen 121 und 122 einzelne Kolben 170 von einer Kolbenstopvorrichtung 125 kurzzeitig angehalten werden. Nach Freigabe der gestoppten Kolben 170 werden die eingebrachten Bereiche durch den Kolbendruck pK der nachfolgenden Kolben bzw. der nächsten eingebrachten Bereiche in das Aufstiegsrohr 130 geschoben.The amount of media supplied and the time of introduction are controlled by
Die Kolben 170 schaffen dabei für das erwärmte Arbeitsmittel bzw. das Gewichtsmedium eine räumliche und thermisch isolierte Abgrenzung zu den vorhergehenden bzw. nachfolgenden Bereichen.The
Die gezielte Steuerung der Einbringung erlaubt es, dass der weiterentwickelte erste Energiewandler 26 auch in einer Betriebsart ohne Gewichtsmedium betrieben werden kann und damit der nutzbare Temperaturbereich hin zu niedrigeren Temperaturdifferenzen ausgedehnt wird.The targeted control of the introduction allows the further developed
Grundsätzlich ist es nicht notwendig, für den weiterentwickelten ersten Energiewandler 26 (
Mögliche Gründe sind z.B.:
- Leichteres und sichereres Einbringen der Medien
- Bessere Steuerungsmöglichkeiten des Energiewandlers
- Messtechnische Aufgaben
- Easier and safer introduction of media
- Better control options for the energy converter
- Measurement tasks
Nach Eintritt der Arbeitsbereiche AB bzw. Gewichtsbereiche GB (letzteres nur im weiterentwickelten ersten Energiewandler 26) in das Aufstiegsrohr 130 beginnt, wie im Zusammenhang mit
Nach Unterschreiten eines, von der Temperatur und der Dampfdruckkurve des verwendeten Arbeitsmittels abhängigen Arbeitsdrucks pA beginnt das im Arbeitsgemisch 59 enthaltene warme Arbeitsmittel 52 in einer Entspannungsverdampfung zu verdampfen, so dass warmer Arbeitsmitteldampf 53 entsteht. Dadurch kommt es zu einer Volumenvergrößerung des Arbeitsbereiches bei gleichzeitiger Abkühlung des verbliebenen Arbeitsgemisches. Durch diese Volumenvergrößerung werden im Aufstiegsrohr alle oberhalb dieses Arbeitsbereiches befindlichen, Arbeits- bzw. Gewichtsbereiche (letzteres nur im weiterentwickelten Energiewandler 26) angehoben. Bei einer hinreichend großen Volumenvergrößerung führt dies zu einem Austritt von kaltem Arbeitsmitteldampf 54, kaltem Wärmemedium 55 und im weiterentwickelten Energiewandler 26 auch Gewichtsmedium 60 im oberen Bereich des Rohrsystems - beispielhaft dargestellt im oberen Rohrbogen 140 - in die Separationsvorrichtung 150.After falling below a working pressure pA, which is dependent on the temperature and the vapor pressure curve of the working fluid used, the warm working
Durch den Austritt der Medien in die Separationsvorrichtung 150 verringert sich der verbleibende Arbeitsdruck pA, der auf den im Aufstiegsrohr 130 verbliebenen Arbeits- und Gewichtsbereichen (letzteres nur im weiterentwickelten ersten Energiewandler 26) lastet. Das führt in den noch im Aufstiegsrohr 130 befindlichen Arbeitsbereichen AB zu einer weiteren Entspannungsverdampfung des Arbeitsgemisches 59, einem Ausdehnen des bereits vorhandenen noch warmen, unter Druck stehenden Arbeitsmitteldampfes 53, einer damit verbundenen Volumenvergrößerung der Arbeitsbereiche und dem Anheben aller oberhalb eines einzelnen Arbeitsbereiches befindlichen Bereiche.As the media exits the
Der beschriebene Ablauf von
- Austritt von Medien im oberen Bereich des Rohrsystems
- eine dadurch initiierten Druckverringerung
im Aufstiegsrohr 130 - einer nachfolgenden Entspannungsverdampfung von Arbeitsmittel aus dem Arbeitsgemisch
- Anheben der
Bereiche im Aufstiegsrohr 130
- Media leakage in the upper area of the pipe system
- a pressure reduction initiated thereby in the
riser pipe 130 - a subsequent flash evaporation of working fluid from the working mixture
- Raising the areas in the
riser pipe 130
Am Ende des Aufstiegs ist das Arbeitsmittel 52 aus dem Arbeitsgemisch 59 vollständig heraus verdampft und nur noch das Wärmemedium 55 flüssig verblieben. Das Wärmemedium ist bis auf Kondensationstemperatur abgekühlt, der entstandene Arbeitsmitteldampf 54 ist unter Volumenvergrößerung und Abkühlung bis auf Kondensationsdruck entspannt.At the end of the ascent, the working
Durch das Prinzip der frei beweglichen Kolben 170 gibt es keine mechanisch vorgegebene p-V-Kennlinie des ersten (25) und des weiterentwickelten ersten Energiewandlers (26). Das bedeutet, die p-V-Kennlinie der ersten Energiewandler ist variabel und passt sich aufgrund des sich selbst regulierenden Arbeitsdruckes pA jedes einzelnen Arbeitsbereiches und der dadurch erzwungenen Entspannungsverdampfung des Arbeitsmittels selbsttätig der p-V-Verdampfungskennlinie des verwendeten Arbeitsmittels im genutzten Temperaturbereich an.Due to the principle of the freely
Vergleichbares ist mit Vorrichtungen nach dem Stand der Technik nicht möglich.Something comparable is not possible with devices according to the state of the art.
Gleichfalls ist damit
- eine stufenlose Volumenvergrößerung von mehr als 1:100 - bezogen auf das Ausgangsvolumen des flüssigen warmen Arbeitsmittels 52 zum Endvolumen des vollständig verdampften kalten Arbeitsmittels 54 - sowie
- eine stufenlose Druckentspannung von weit mehr als 1:10 - bezogen auf den maximalen Arbeitsdruck pA auf dem unteren Niveau des ersten Energiewandlers zum minimalem Arbeitsdruck (Kondensationsdruck) auf dem oberen Niveau des ersten Energiewandlers - möglich
- a continuous volume increase of more than 1:100 - based on the initial volume of the liquid warm working
fluid 52 to the final volume of the completely evaporated cold working fluid 54 - as well - a continuous pressure relief of well over 1:10 - based on the maximum working pressure pA at the lower level of the first energy converter to the minimum working pressure (condensation pressure) at the upper level of the first energy converter - is possible
Nach dem Austritt des Arbeitsmitteldampfes 54, des abgekühlten, flüssig verbliebenen Wärmemediums 55 bzw. Gewichtsmedium 60 (letzteres nur im weiterentwickelten ersten Energiewandler 26) auf dem oberen Niveau - exemplarisch dargestellt dem oberen Rohrbogen 140 - aus dem Rohrsystem werden die Medien in der Separationsvorrichtung 150 getrennt.After the working
Das flüssig verbliebene Wärmemedium 55 wird aufgefangen und gesammelt. Im weiterentwickelten Energiewandler 26 wird das flüssig verbliebene Wärmemedium 55 gemeinsam mit dem Gewichtsmedium 60 aufgefangen. Das gesammelte kalte Wärmemedium 55 - im weiterentwickelten ersten Energiewandler 26 auch das Gewichtsmedium - verlässt über Zuführungen 40 den ersten Energiewandler 25 bzw. 26 und fließt je nach Bauform des Gesamtsystems der Mischkammer 33, dem zweiten Energiewandler 34 oder - bei Gesamtsystemen mit Nutzung des mE-TLC-Prozesses - dem Wärmetauscher 31 zu.The remaining
Der Arbeitsmitteldampf 54 wird durch Zuführungen 40 der Dampfverflüssigungsvorrichtung 32 zugeführt. Evtl. vom Arbeitsmitteldampf 54 mitgerissene Tröpfchen des Wärmemediums werden in der Separationsvorrichtung 150 abgeschieden und dem gesammelten Wärmemedium zugeführt.The working
Die nach Austritt der Medien im oberen Rohrbogen 140 funktionslosen Kolben 170 werden weiter zum Abstiegsrohr 160 geführt. Dort wird durch das Eigengewicht der Kolben der restliche Arbeitsmitteldampf 54 durch dafür vorgesehene Auslassöffnungen aus dem Rohrsystem in die Separationsvorrichtung 150 gedrückt.The
Die Kolben 170 werden als Kolbenstapel 171 zusammengeführt und erzeugen durch ihr Eigengewicht den in den Einbringvorrichtungen 121 und 122 benötigen Kolbendruck pK.The
Der erfindungsgemäße Aufbau der ersten Energiewandler 25 und 26 als geschlossenes Rohrsystem mit freilaufenden Kolben eröffnet die Möglichkeit einer Energiewandlung von thermischer in potentielle Energie mit einem sehr großen und variablen Arbeitsbereich hinsichtlich der möglichen Volumenvergrößerung und dem abzubauenden Arbeitsdruck.The inventive structure of the
Die durch das Prinzip einzelner kleiner Arbeitsbereiche realisierbare stufenlose und variable Entspannungsverdampfung eines Arbeitsmittels ist nur mit einer sehr fein gestuften Turbine vergleichbar.The stepless and variable flash evaporation of a working medium, which can be achieved using the principle of individual small working areas, can only be compared with a very finely stepped turbine.
Der besondere Vorteil der Vielzahl einzelner Arbeitsbereiche ist die damit verbundene lange Zeit (im Vergleich zum Stand der Technik) vom Beginn der Entspannungsverdampfung des Arbeitsmittels bis zum Austritt auf dem oberen Niveau (siehe
Bei einer Anzahl von maximal 5 neu zugeführten Arbeitsbereichen je Sekunde, (idealerweise weniger als einem Arbeitsbereich je Sekunde) und einer zum Druckaufbau im Rohr erforderlichen Anzahl von mindestens 10 Arbeitsbereichen ergibt sich eine relativ lange Zeit der Entspannungsverdampfung von 2-10 Sekunden (bei höheren Temperaturen des warmen Arbeitsmittels und des Wärmemediums wegen der größeren Anzahl an Arbeitsbereichen bis zu einigen Minuten), was mit Vorrichtungen nach dem Stand der Technik nicht erreichbar ist.With a maximum of 5 new working areas per second (ideally less than one working area per second) and a minimum of 10 working areas required to build up pressure in the pipe, this results in a relatively long flash evaporation time of 2-10 seconds (at higher temperatures of the warm working fluid and the heating medium up to a few minutes due to the larger number of work areas), which cannot be achieved with devices according to the prior art.
Durch diese lange Zeit der Entspannungsverdampfung wird eine explosionsartige Dampfblasenbildung, die bei Vorrichtungen nach dem Stand der Technik durch Tröpfchenerosion eine große Gefahr darstellt, vermieden.This long period of flash evaporation avoids the formation of explosive vapor bubbles, which poses a great danger in devices according to the prior art due to droplet erosion.
Als weiterer Vorteil kann die Entspannungsverdampfungskurve des E-TLC bzw. E-TLC2 Prozesses im T-S-Diagramm nach Fig.34 und
In Fig.27 sind ergänzend dazu verschiedene Szenarien als T-S-Diagramm des Arbeitsmittels im E-TLC-Prozess dargestellt.
- Fig. 27a - Verlauf unter Basis-Betriebsbedingungen (siehe gestrichelte Linien) definiert durch die Temperatur der Wärmequelle und der Dampfverflüssigungstemperatur
- Fig. 27b - Verlauf mit gegenüber den Basis-Betriebsbedingungen (siehe gestrichelte Linien) erhöhter Temperatur der Wärmequelle
- (Bsp.: Nutzung von Solarthermie als Wärmequelle im Sommer)
- Der Ausgangspunkt der Entspannungsverdampfung (Punkt 3) ist nach oben verschoben.
- Es wird mehr thermische Energie als unter Basis-Betriebsbedingungen umgesetzt.
- Fig. 27c - Verlauf mit gegenüber den Basis-Betriebsbedingungen (siehe gestrichelte Linien) erhöhter Dampfverflüssigungstemperatur
- (Bsp.: Nutzung von Erdwärme als Wärmequelle und Kühlung durch Umgebungsluft im Sommer)
- Die
Kondensationslinie von Punkt 5 zuPunkt 1 ist nach oben verschoben. - Die
Entspannungskurve von Punkt 3 zuPunkt 5 ist verkürzt. - Es wird weniger Energie als unter Basis-Betriebsbedingungen umgesetzt.
- Fig. 27d - Verlauf mit gegenüber den Basis-Betriebsbedingungen (siehe gestrichelte Linien) erhöhter Temperatur der Wärmequelle und erhöhter Dampfverflüssigungstemperatur
- (Bsp.: Nutzung von Solarthermie als Wärmequelle und Kühlung durch Umgebungsluft im Sommer)
- Je nach Temperaturdifferenz zwischen Punkt 2 und 3 kann mehr oder auch weniger thermische Energie als unter Basis-Betriebsbedingungen umgesetzt werden.
- Fig. 27a - Course under basic operating conditions (see dashed lines) defined by the temperature of the heat source and the vapor liquefaction temperature
- Fig. 27b - Course with the temperature of the heat source increased compared to the basic operating conditions (see dashed lines).
- (Ex.: Use of solar thermal energy as a heat source in summer)
- The starting point of flash evaporation (point 3) is shifted upwards.
- More thermal energy is converted than under basic operating conditions.
- Fig. 27c - Course with increased vapor liquefaction temperature compared to the basic operating conditions (see dashed lines).
- (Ex.: Use of geothermal energy as a heat source and cooling by ambient air in summer)
- The condensation line from
point 5 topoint 1 is shifted upward. - The relaxation curve from
point 3 topoint 5 is shortened. - Less energy is converted than under basic operating conditions.
- Fig. 27d - Course with increased temperature of the heat source and increased vapor liquefaction temperature compared to the basic operating conditions (see dashed lines).
- (Ex.: Use of solar thermal energy as a heat source and cooling using ambient air in summer)
- Depending on the temperature difference between
2 and 3, more or less thermal energy can be converted than under basic operating conditions.points
Ein weiterer wesentlicher Punkt ist die Gestaltung des umlaufenden Rohrsystems und der Kolben. Die Rohre zur Führung der Kolben sind mit einer gut gleitfähigen thermischen Innenisolation wie z.B. PTFE oder Polyamid (PA) versehen.Another important point is the design of the surrounding pipe system and the pistons. The tubes for guiding the pistons are provided with a well-sliding thermal internal insulation such as PTFE or polyamide (PA).
Die Kolben selber sind an den Dichtflächen mit einem zum Material der Innenisolation des Rohres passenden Dichtungs- und Gleitmaterial versehen, das sowohl eine Abdichtung der Bereiche als auch eine thermische Isolation gewährleistet.The pistons themselves are provided on the sealing surfaces with a sealing and sliding material that matches the material of the inner insulation of the pipe, which ensures both sealing of the areas and thermal insulation.
Innerhalb eines Arbeitsbereiches kommt es durch den Kontakt der Medien mit der Rohrwand und dem Abstreifen der Medien durch den Kolben von der Rohrwand zu Verwirbelungen und einer intensiven Durchmischung der Medien. Das fördert die Wärmeverteilung und damit die Verdampfung des Arbeitsmittels. Durch eine geeignete Gestaltung des Kolbens und der Kolbendichtung kann diese Verwirbelung gefördert werden.Within a working area, the contact of the media with the pipe wall and the stripping of the media from the pipe wall by the piston leads to turbulence and intensive mixing of the media. This promotes heat distribution and thus the evaporation of the working fluid. This turbulence can be promoted through a suitable design of the piston and the piston seal.
Die Kolben weisen zudem vorzugsweise eine aufgeraute, poröse Oberfläche auf, die eine Blasenbildung beim Verdampfen des Arbeitsmittels fördert (vergleichbar der Wirkung von Siedesteinchen).The pistons also preferably have a roughened, porous surface, which promotes the formation of bubbles when the working fluid evaporates (comparable to the effect of boiling stones).
Da aufgrund der erfindungsgemäßen Konstruktion der ersten Energiewandler an den Kolben nur sehr geringe Druckunterschiede von weniger als 0,001 MPa (0,01bar) auftreten (Druckunterschied = Kolbengewicht/Fläche), liegt die Hauptaufgabe der Kolbendichtung in einer Stützfunktion, um ein Kippen der Kolben im Rohrsystem zu verhindern. Dies ist durch ein geeignetes Kolbendesign möglich. Entsprechende Kolbendesigns sind in der Fachwelt bekannt.Since, due to the design of the first energy converters according to the invention, only very small pressure differences of less than 0.001 MPa (0.01 bar) occur on the pistons (pressure difference = piston weight/area), the main task of the piston seal is to provide a support function to prevent the pistons from tipping in the pipe system to prevent. This is possible through a suitable piston design. Corresponding piston designs are known in the professional world.
Unterstützend beim Kolbendesign ist der Rohrquerschnitt. Neben einem kreisförmigen Querschnitt weisen nicht kreisförmige Rohrquerschnitte (z.B. Ellipse oder Oval) Vorteile z.B. bei der Gestaltung der Einbringvorrichtung bzw. der Austrittsöffnungen und anderer Aufgaben auf.The pipe cross section supports the piston design. In addition to a circular cross section, non-circular pipe cross sections (e.g. ellipse or oval) have advantages, for example in the design of the insertion device or the outlet openings and other tasks.
Eine Ausführung des unteren und oberen Abschnittes des umlaufenden Rohrsystems als horizontale Zone mit konstantem Druck (Beispiele siehe Fig. 27) in Kombination mit einem nicht kreisförmigen Rohrquerschnitt erleichtert zudem die technische Gestaltung der Einbringvorrichtungen 120 und 121 bzw. der Separierungsvorrichtung 150.Designing the lower and upper sections of the circumferential pipe system as a horizontal zone with constant pressure (for examples see Fig. 27) in combination with a non-circular pipe cross section also facilitates the technical design of the
Wie in Tabelle 1 exemplarisch aufgeführt, sind mit dem Gesamtsystem 11 oder 15 (
Die aufgrund der Temperaturdifferenz thermodynamisch gegebene geringe Druckdifferenz von nur 0,033 MPa (0,33bar) zwischen dem maximalen Arbeitsdruck und dem Dampfverflüssigungsdruck im erfindungsgemäßen ersten Energiewandler 25 bzw. 26 wird in eine - durch den zweiten Energiewandler 34 technisch gut nutzbare - Druckdifferenz von mindestens 0,25 MPa (2,5bar) für das Arbeitsmedium bzw. mindestens 0,4 MPa (4,0 bar) für das Wärmemedium umgesetzt. Vergleichbares ist mit Vorrichtungen nach dem Stand der Technik nicht realisierbar.The small pressure difference of only 0.033 MPa (0.33 bar), which is thermodynamically given due to the temperature difference, between the maximum working pressure and the steam liquefaction pressure in the
Bei derart geringen Temperaturunterschieden sollte bevorzugt das Gesamtsystem 17 nach
Der erfindungsgemäße Einsatz des weiterentwickelten Energiewandlers 26 nach
In Tabelle 2 ist exemplarisch ein Vergleich der Gesamtsysteme 11 (ohne Gewichtsmedium) und 15 (mit Gewichtsmedium) bei ansonsten gleichen Eingangsparametern dargestellt. Der Einsatz des weiterentwickelten ersten Energiewandlers 26 mit Gewichtsmedium bringt eine Reduzierung der Bauhöhe des Gesamtsystems um ca. 85%.Table 2 shows an example of a comparison of the overall systems 11 (without weight medium) and 15 (with weight medium) with otherwise identical input parameters. The use of the further developed
Wie aus den Werten für Gesamtsystem 15 zu ersehen ist, wird bei Nutzung eines Gewichtsmediums der minimal erforderliche Differenzdruck (siehe
Ein Einsatz eines Gesamtsystem 17 (
In Tabelle 3 sind beispielhaft die Arbeitsparameter eines Gesamtsystems 18 mit einem weiterentwickelten ersten Energiewandler 26 bei unterschiedlichen Arbeitstemperaturen aufgeführt. Das dargestellte Temperaturszenario (Anstieg der maximalen Arbeitstemperatur von 40 auf 100 °C) entspricht dem Tagesverlauf eines Energiewandlers mit solarthermischer Wärmezufuhr und Verflüssigung des Arbeitsmitteldampfes durch Umgebungsluft bei steigender Umgebungstemperatur (Anstieg der Kondensationstemperatur von 20 auf 40°C).Table 3 shows examples of the working parameters of an
Deutlich ablesbar sind die sich verändernden Betriebsparameter in Abhängigkeit von der Änderung der maximalen Arbeitstemperatur und der Kondensationstemperatur.The changing operating parameters depending on the change in the maximum working temperature and the condensation temperature are clearly visible.
In der letzten Spalte ist beispielhaft der Einfluss der Kondensationstemperatur auf die erzielbare Leistung dargestellt. Je niedriger die Kondensationstemperatur, desto höher der theoretische Wirkungsgrad und damit die erzielbare Leistung.The last column shows an example of the influence of the condensation temperature on the achievable performance. The lower the condensation temperature, the higher the theoretical efficiency and thus the achievable performance.
Bei einer angenommenen Anzahl von einem neu zugeführten Arbeitsbereich je Sekunde entspricht die Zahl der gesamten Arbeitsbereiche im Aufstiegsrohr der Anzahl an Sekunden, die ein Arbeitsbereich zum Durchlauf vom unteren zum oberen Niveau des Gesamtsystems benötigt.Assuming the number of new work areas added per second, the number of total work areas in the riser tube corresponds to the number of seconds that a work area requires to pass from the lower to the upper level of the overall system.
Ebenfalls aufgeführt die Anzahl der Arbeitsbereiche, in denen das Arbeitsmittel die Entspannungsverdampfungskurve vom thermodynamischen Punkt 3 zum Punkt 5 des E-TLC2-Prozesses durchläuft. Deutlich sichtbar ist auch hier der Einfluss der Kondensationstemperatur.
Claims (20)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EP22184230.5A EP4306775A1 (en) | 2022-07-11 | 2022-07-11 | Method and apparatus for converting low-temperature heat into technically usable mechanical energy |
Applications Claiming Priority (1)
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EP22184230.5A EP4306775A1 (en) | 2022-07-11 | 2022-07-11 | Method and apparatus for converting low-temperature heat into technically usable mechanical energy |
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EP (1) | EP4306775A1 (en) |
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