EP4306775B1 - Method and apparatus for converting low-temperature heat into technically usable mechanical energy - Google Patents
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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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 medium is put under working pressure by a pressure pump, external heat is added in a heat exchanger, this is converted into a rotational movement by partial evaporation of the working medium in a heat engine, which drives a generator.
- the resulting working medium vapor is condensed after leaving the heat engine and the cycle begins again.
- the technical challenge of the TLC process lies in the implementation of the partial evaporation as forced flash evaporation with a vertically falling evaporation curve (see Fig.1 , TS diagram, progression from point 3 to point 5) through the wet vapor region 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 realizing a flash evaporation similar to the TLC process according to Fig.1 while at the same time eliminating the disadvantages of the previously known devices.
- the Fig.1 The reference symbols used for the TLC process are used identically in representations of the E-TLC and the E-TLC2 process.
- Core component of the overall system 11 according to Fig.5 is the first energy converter 25.
- thermodynamic details of the two-stage E-TLC2 process for the entire system 11 as well as the corresponding TS and pV diagram are shown.
- the point 2 ( Fig.5
- the working medium 51 (bottom) under pressure 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 operating point 3 with the maximum temperature to operating point 5 with the minimum temperature. This achieves a maximum in exergetic efficiency.
- the working medium raised by the first energy converter 25 and completely evaporated is collected after exiting the first energy converter 25, the working medium vapor 54 is condensed, collected and returned to the lower level by performing mechanical work in a second energy converter 34.
- the remaining liquid heat medium is also collected and returned to the lower level by performing mechanical work in the second energy converter 34.
- the E-TLC process according to Fig.3 In the two-stage E-TLC2 process, there is a further point 7 between the 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 according to 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.
- 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 working areas AB each delimited by two pistons 170 and filled with warm working fluid AM and warm heating medium WM.
- a number of these working areas separated by pistons 170 are arranged one above the other in an upwardly directed tube (see Fig. 6b ).
- Each working area is subject to a local working pressure pA, which is generated by the other working areas located in the pipe above the respective working area.
- the working medium AM is partially (lower and middle area) or completely (upper area) evaporated and cooled in a flash evaporation - while the volume of the work area increases at the same time.
- the thermal energy required for the complete evaporation of the working medium is extracted from the heat medium so that it is also cooled (see Fig.4 and Fig. 6b ).
- the Fig.6a and 6b The strict separation of heat medium and working fluid shown serves to provide a clear representation of the processes within a working area during the movement from the lower to the upper level. In reality, within a working area AB, heat medium and working fluid mix to form a working mixture AG (see Fig.6c ).
- the working mixture Due to the evaporation of the working medium 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 medium has completely evaporated at the upper level and the heat medium remains only 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 principle of the first energy converter outlined requires a greater height of the upwardly directed pipe - to build up the maximum working pressure pA which increases with temperature - the greater the temperature difference between the low-temperature heat source and the vapor condensation temperature (given by the temperature of the heat sink).
- the first energy converter (see Fig. 10a-b ) can be avoided by inserting an additional weight area GB filled with a weight medium 60 between two working areas AB (see Fig. 10a ).
- the weight medium is - in contrast to the working medium and heat medium - not heated by the heat source.
- the weight medium causes - with otherwise identical processes as in Fig. 6 described - due to its own weight, an increase in the working pressure pA on each working area AB in the upward pipe. This makes it possible - as will be shown - to significantly reduce the required height 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 according to Fig.5 is.
- the Fig. 12 The structure of the overall system 16 with a further developed first energy converter 26 and external production of a working mixture is largely identical to the overall system 12 according to 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 according to Fig.4 also apply to the overall systems 15 and 16 with the further developed first energy converter 26.
- a particular advantage is 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.
- 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 medium or the working mixture corresponds to the working pressure required at point 2.
- the loss of potential energy of the working medium or the working mixture is compensated by the larger usable volume of heat or weight medium.
- the total technically usable amount of energy remains the same. If the focus is on further reducing the height of the overall system, as in Fig.9 and 16 As 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 allows any number of upward-leading pipes for energy conversion to be built in parallel (see Fig. 17 , exemplified using the overall system 12).
- a key feature of the novel E-TLC process according to Fig.3 compared to the known TLC process according to Fig.1 is the use of a heat medium and the complete evaporation of the working fluid in a polytropic evaporation curve.
- the TLC process according to Smith uses the thermal energy absorbed by the working medium for evaporation. 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 medium.
- the working fluid thus undergoes a polytropic flash evaporation (cf. Fig.1 , TLC process: isentropic flash evaporation). If one considers the sum of the amount of heat contained in the heated working fluid and the heated heat medium - without taking into account the different heat capacities - this corresponds to the amount of energy converted into evaporation of the working fluid.
- thermodynamic steps follows the course of the E-TLC2 process according to Fig.4 .
- the overall systems 12 ( Fig.7 ) and 16 ( Fig.12 ) are variations of the overall systems 11 and 15 respectively, using a working mixture AG consisting of working medium AM and heat medium WM. Their mode of operation corresponds to the 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 working medium (without index), heat medium (index “wm”), weight medium (index “gm”) and working mixture (index “ag”).
- the hatched area in the p-V diagrams corresponds to the thermal energy of the respective medium that is 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 mode of 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 part of the overall systems 11-20 ( Fig.5 , 7-9 , 11-16 ).
- the cold liquid working medium 51 and the cold heat medium 55 are under pressure and are fed through feed lines 40 to the heat exchanger 31 for absorbing thermal energy from the low-temperature heat source and are heated therein without evaporation of the working medium.
- geothermal energy In addition to geothermal energy, ocean heat, solar heat, waste heat from technical processes (e.g. steel and plastics industry), heat from cooling processes (e.g. cold storage, 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.
- technical processes e.g. steel and plastics industry
- cooling processes e.g. cold storage, data centers
- heat from combustion processes e.g. waste incineration, biogas
- residual heat from other processes e.g. chemical industry
- all organic and inorganic substances and mixtures of substances can be used as working media that 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.
- the preferred heat 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 undergo any chemical reaction or other interaction with the working medium can also be used.
- additional cold weight medium 60 flows through inlets 41 to the first energy converter 26.
- the preferred weight medium is the heat medium, preferably water, due to its high density.
- cold working mixtures see overall system 17
- pure working fluid or an additional liquid can also be used as weight medium.
- the absorbed thermal energy of the warm working medium 52 and the warm heat medium 56 or the resulting warm working mixture 59 is converted according to the E-TLC or E-TLC2 process ( Fig.3 , 4 Points 4' and 4") are converted into potential energy by expansion evaporation of the working medium while performing volume change work in the form of lifting work.
- the heat medium cools down by releasing heat to the working medium.
- the working medium and the heat medium or the weight medium are raised from the lower to the upper area.
- the working fluid 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 remaining 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 medium 54 flows to the steam liquefaction device 32 and is condensed there with reduction of the entropy ( Fig.3 , 4 TS diagram point 6) is liquefied again.
- point 1 of the E-TLC or E-TLC2 process ( Fig.3 , 4 Point 1) is achieved.
- the cold working medium 51 and the cold heat medium 55 are now cooled 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 medium 51 or the working mixture 58 flow to a second energy converter 34.
- the liquid columns generate a 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 can then be converted into electrical energy in a generator, for example, but can also be used as mechanical energy to drive machines.
- the complete systems 13, 18 and 19 represent a special feature.
- the cold working medium 51, the cold heat medium 55 (including cold weight medium 60) or the cold working mixture 58 is under an equally high 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 during the subsequent absorption of thermal energy 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 is not reached at point 2.
- An additional pressure booster pump 35 is therefore required to achieve the required working pressure. This solution can be useful for various reasons, but it reduces 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 entire systems 11 to 20 is based only on the pressure difference between the vapor pressure at maximum operating temperature and the vapor pressure at vapor condensation temperature.
- the overall systems 11-14 are particularly advantageous for small temperature differences, the overall systems 15-20 for higher temperature differences.
- condensation heat Due to the wide usable and variable temperature range, further use of the condensation heat is also possible if the low-temperature heat source has the appropriate temperature.
- the condensation heat can heat heating water.
- the amount of energy generated by the overall system decreases accordingly.
- the exergetic efficiency of the overall system changes according to the degree of use of the condensation heat.
- Fig. 19 to 22 Preferred arrangements for the use of low-temperature heat from solar thermal heating, but also from flue gases or coolant vapors are shown.
- the overall systems are modified developments of the previously explained overall systems 11, 12, 16 and 19.
- 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 the upper level of the overall system and extends partially or completely over the head H.
- the working medium 51 to be heated, the heat medium 55 or the working mixture 58 pass through the vertically arranged heat exchanger 31 while simultaneously building up pressure and are fed to the second energy converter 34 as already heated liquids.
- the working mixture flows on to the second energy converter 34 for the conversion of potential energy into technically usable energy. After the working mixture leaves the second energy converter 34, no evaporation of the working medium occurs due to the remaining high dosing pressure pD.
- the heated working mixture is fed directly to the first energy converter 26 while building up the dosing pressure pD.
- Fig.18 is the one on the Fig.3
- the modified two-stage extended tri-lateral cycle process (hereinafter referred to as mE-TLC2 ) based on the E-TLC process shown and used in the overall systems 211, 212, 216 and 219 is shown.
- Point 2 of the original E-TLC2 process according to Fig.4 is deleted and point 7 receives a changed position in the new mE-TLC2 process (see Fig.18 ).
- thermodynamic course of the mE-TLC2 process is compared to the E-TLC2 process according to Fig.4 in the pV diagram it looks similar, there are few changes in the curve. It 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 change in the thermodynamic curve.
- 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 following description shows the operation of the first energy converter 25 ( Fig.23 and 24 ) and the further developed first energy converter 26 ( Fig.25 and 26 ) together. Differences are discussed in the text. The description follows the course of the E-TLC or E-TLC2 process according to Fig.3 and 4 between points 3 and 5.
- Step 1 Inserting the media
- the starting point for the conversion of thermal energy into potential energy is in the lower part of the pipe system - exemplified in the lower pipe bend 110.
- pistons 170 which are under the pressure pK (generated by the weight of the following piston stack 171), are introduced into the introduction devices 121 ( Fig.23 , 24 ) or 122 ( Fig.25 , 26 ).
- the pressure pK is greater than the maximum working pressure pA generated by the areas in the riser tube 130.
- the heated working medium 52, the heated heat 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 - is fed from the outside to the introduction device 121 or 122.
- the heated working medium 52 and the heated heat medium 56 ( Fig.23 , 25 ) or the heated working mixture 59 ( Fig.24 , 26 ) between two pistons 170 This area thus becomes a working area.
- unheated weight medium can be introduced between two working 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 dosing devices 126.
- dosing devices 126 To safely introduce the working medium or the weight medium, individual pistons 170 in the introduction devices 121 and 122 can be briefly stopped 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 following pistons or the next introduced areas.
- the pistons 170 create a spatial and thermally insulated separation 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 towards 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 a working range or weight range. Every area between two pistons can be a working range or a weight range. From a technical point of view, however, it can make sense to design the pistons differently and thus explicitly assign the pistons to a working or weight range.
- Step 2 Conversion of thermal energy into potential energy
- the riser tube 130 After the working areas AB or weight areas GB (the latter only in the further developed first energy converter 26) enter the ascent tube 130, as described in connection with Fig.6 and 10 explained, a slow reduction of the working pressure pA acting on the upper piston.
- the preferred embodiment of the riser tube 130 according to the invention is vertical without any change in direction.
- the general basic principle of pressure build-up also allows an oblique, screw-shaped or other upwardly directed design of the riser tube 130.
- the warm working fluid 52 contained in the working mixture 59 After falling below a working pressure pA, which depends 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.
- This increase in volume raises all the working or weight areas (the latter only in the advanced energy converter 26) in the riser pipe above this working area. If the increase in volume is sufficiently large, this leads to the escape of cold working fluid vapor 54, cold heat medium 55 and, in the advanced energy converter 26, also weight medium 60 in the upper area of the pipe system - shown as an example in the upper pipe bend 140 - into the separation device 150.
- the remaining working pressure pA which is applied to the working and weight areas remaining in the riser tube 130 (the latter only in the further developed first energy converter 26), is reduced. This leads to further expansion evaporation of the working mixture 59 in the working areas AB still in the riser tube 130, an expansion of the already existing, still warm, pressurized working medium vapor 53, an associated increase in the volume of the working areas and the raising of all areas located above an individual working area.
- the working medium 52 has completely evaporated from the working mixture 59 and only the heat medium 55 remains liquid.
- the heat medium has cooled down to condensation temperature, the resulting working medium vapor 54 has expanded while increasing in volume and cooling down to condensation pressure.
- the p-V characteristic curve of the first energy converter is variable and automatically adapts to the p-V evaporation characteristic curve of the working medium used in the temperature range used due to the self-regulating working pressure pA of each individual working area and the resulting forced expansion evaporation of the working medium.
- Step 3 Separation and application of media
- the remaining liquid heat medium 55 is caught and collected.
- the remaining liquid heat medium 55 is caught together with the weight medium 60.
- the collected cold heat medium 55 - in the advanced first energy converter 26 also the weight medium - leaves the first energy converter 25 or 26 via feed lines 40 and flows, depending on the design of the overall system, to the mixing chamber 33, the second energy converter 34 or - in the case of overall systems using the mE-TLC process - to the heat exchanger 31.
- the working medium vapor 54 is fed through feeds 40 to the vapor liquefaction device 32. Any droplets of the heat medium 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 no longer functional after the media have exited the upper pipe bend 140, are guided further to the downpipe 160. There, the weight of the pistons forces the remaining working medium vapor 54 out of the pipe system into the separation device 150 through the 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 introduction devices 121 and 122.
- the inventive design 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 into potential energy with a very large and variable working range with regard to the possible volume increase and the working pressure to be reduced.
- stepless and variable flash evaporation of a working medium which can be achieved through the principle of individual small working areas, can only be compared with a very finely stepped turbine.
- the particular advantage of the large number of individual working areas is the associated long time (compared to the state of the art) from the start of the flash evaporation of the working medium to the exit at the upper level (see Fig.4 ff., point 3-5 of the TS diagram).
- the flash evaporation time is relatively long, ranging from 2 to 10 seconds (up to several minutes at higher temperatures of the warm working fluid and the heat medium due to the larger number of working areas), which cannot be achieved with state-of-the-art devices.
- the flash evaporation curve of the E-TLC or E-TLC2 process can be shown in the TS diagram according to Fig.34 and Fig.4 from point 3 to point 5 must be completed safely and completely and the previously absorbed thermal energy must be fully converted.
- the pipes that guide the pistons are provided with a thermal inner insulation that allows good sliding, such as PTFE or polyamide (PA).
- the pistons themselves are provided with a sealing and sliding material on the sealing surfaces that matches the material of the inner insulation of the tube, which ensures both sealing of the areas and thermal insulation.
- the contact of the media with the pipe wall and the piston scraping the media off the pipe wall result in turbulence and intensive mixing of the media. This promotes heat distribution and thus the evaporation of the working medium. This turbulence can be promoted by 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 medium evaporates (comparable to the effect of boiling stones).
- Corresponding piston designs are known in the specialist world.
- the tube cross-section is a supportive factor in the piston design.
- non-circular tube cross-sections e.g. ellipse or oval
- advantages for example, in the design of the insertion device or the outlet openings and other tasks.
- a design of the lower and upper sections of the circulating pipe system as a horizontal zone with constant pressure (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 can accommodate 11 or 15 ( Fig.5 , 11 ) even small temperature differences of 10°K can be used.
- the entire system 17 should preferably be Fig. 13 with a cold working mixture 58 as the weight medium 60. This has an even reduced height compared to the entire 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 weight medium results in a reduction in the overall height of the system by approximately 85%.
- Table 3 shows examples of the operating parameters of an overall system 18 with a further developed first energy converter 26 at different operating temperatures.
- the temperature scenario shown (increase in the maximum operating temperature from 40 to 100 °C) corresponds to the daily course of an energy converter with solar thermal heat supply and liquefaction of the working medium vapor by ambient air with increasing ambient temperature (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 total number of working areas in the riser tube corresponds to the number of seconds it takes for a working area to pass from the lower to the upper level of the entire system. Also listed is the number of working areas in which the working fluid passes through the flash evaporation curve from thermodynamic point 3 to point 5 of the E-TLC2 process. The influence of the condensation temperature is clearly visible here too.
- 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 input and condensation temperatures Input parameters Unit Device 11 Device 15 Device 17 Max.
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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 volume increase and performance of volume work (point 3 - point 5)
- Isobaric heat removal 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 stellen hohe technische Anforderungen an die verwendete Vorrichtung.
- Reduction of the working pressure to initiate the flash evaporation of the working fluid
- Volume increase due to flash evaporation of the working fluid
- Performing expansion work through the resulting steam of the working medium
- in the wet steam area of the working medium with a high liquid content, high technical demands are placed on the device used.
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 EN 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 technical literature also refers to 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 -
US 2013/341 929 A1 -
US 2018/306 068 A1 -
DE 10 2020 110 560 A1
-
DE 34 20 293 A1 -
US 2012 / 0 112 473 A1 -
GB280926A -
US 2013/341 929 A1 -
US 2018/306 068 A1 -
EN 10 2020 110 560 A1
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 according to 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 medium, which leads to conversion losses
- An expansion ratio of volume and pressure that is too low and therefore the evaporation curve is not completely passed through, which leads to unused thermal energy
- high gap losses on technically conditioned sealing surfaces at higher working pressures caused by higher temperatures
- Poor adaptation of the device to changes in the inlet temperature or the condensation temperature due to mechanically predetermined operating points
- Friction losses
- ZT high speeds of the device, which require additional, lossy gears
- Special components that are complex and expensive to manufacture (such as turbines, screw expanders)
- Component damage 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 necessary pumping power to generate the required working pressure for the cold liquid working medium at the beginning of the process, which requires a significant portion of the previously generated energy.
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 fluid
- A large volume-related expansion ratio
- A large pressure-related expansion ratio
- Low gap losses on technically conditioned sealing surfaces
- Avoidance of sudden flash evaporation and the resulting droplet erosion
- Minimizing the pumping power required to generate the working pressure
- Easy adaptation to changes in the thermal environment parameters such as temperature of the heat source or the condensation temperature
- Covering a wide temperature range of the low temperature heat source temperature and the 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 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 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 two-fold energy conversion hereinafter referred to as " overall system"
- The thermodynamic process with two-fold energy conversion realized in the overall system is referred to below as the " E-TLC2 process" due to its similarity to the well-known TLC process and to better distinguish it from the novel 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 referred to simply 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 realization 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 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 working area is subject to a local working pressure pA, which is generated by the other working areas located in the pipe above the respective working 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
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 reduction in pressure leads to small flash evaporations in all working areas in the pipe and thus small increases in volume of each individual working area and consequently a lifting of all working 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 to ensure that this process is repeated continuously, new working areas with warm working fluid and warm heating medium are constantly supplied to the lower level under a dosing 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 medium 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 medium has completely evaporated at the upper level and the heat medium remains only 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.A particular advantage is 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, different 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 amount of technically usable energy that can be delivered.
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 small temperature differences between the low-temperature source and the steam condensation 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 0,001 MPa (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 moving pistons results in an automatic adjustment of the pV characteristic of the first energy converter to the pV evaporation characteristic of the working medium
- Is a continuous volume increase of more than 1:100 possible (initial volume of the liquid warm working medium to final volume of the evaporated gaseous working medium)
- 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) prevents an explosive evaporation of the working fluid and subsequent droplet erosion, which can lead to component destruction
- The technical requirements for the piston seals are significantly reduced and gap losses are reduced as a result of small pressure differences of far less than 0.001 MPa (0.01 bar) between the top and bottom of the piston
- Are outputs well into the megawatt range possible through several energy converters working in parallel?
- 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 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 as well as flexible summer/winter operation with adaptation to the changing temperatures of the low-temperature heat source or the steam condensation temperature is possible
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 using the E-TLC process are decoupled from the conversion into technically usable mechanical energy (comparable to the separation of steam generation and turbine in conventional thermal power plants)
- the technical complexity of a device for converting thermal energy into technically usable energy is significantly reduced compared to the state of the 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 medium, the heat medium and, if applicable, the weight medium is generated internally within the process and device without the pressure pump required according to the state of the art
- This reduces technical losses, increases technical efficiency and brings economic benefits
- Depending on the application, the optimal design for implementing an E-TLC2 process can be selected from various designs of the overall system
- Fig. 1 -Fig. 1 -
- Thermodynamik des TLC-Prozesses nach dem Stand der TechnikThermodynamics of the state-of-the-art TLC process
- Fig. 2 -Fig. 2 -
- Prinzipaufbau eines Systems zur Nutzung des TLC-Prozesses nach dem Stand der TechnikPrinciple design of a system for using the state-of-the-art TLC process
- 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
overall system 11 according to the E-TLC2 process - Fig. 6 -Fig. 6 -
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Funktionsprinzip erster Energiewandler 25Functional principle of the
first energy converter 25 - Fig. 7 -Fig. 7 -
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Darstellung optimiertes Gesamtsystem 12 mit Mischkammer 33Representation of optimized
overall system 12 with mixingchamber 33 - Fig. 8 -Fig. 8 -
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Darstellung Gesamtsystem 13 mit ersten Energiewandler 25 bei reduzierter HöheRepresentation of
overall system 13 withfirst energy converter 25 at reduced height - Fig. 9 -Fig. 9 -
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Darstellung Gesamtsystem 14 mit reduzierter Höhe und Druckerhöhungspumpe 35Representation of
entire system 14 with reduced height andbooster pump 35 - Fig. 10 -Fig. 10 -
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Funktionsprinzip weiterentwickelter erster Energiewandler 26Functional principle of further developed
first energy converter 26 - Fig. 11 -Fig. 11 -
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Darstellung Gesamtsystem 15 mit weiterentwickeltem ersten Energiewandler 26Representation of the
entire system 15 with further developedfirst energy converter 26 - Fig. 12 -Fig. 12 -
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Darstellung Gesamtsystem 16 mit weiterentwickeltem ersten Energiewandler 26 und Mischkammer 33Representation of the
entire system 16 with further developedfirst energy converter 26 and mixingchamber 33 - Fig. 13 -Fig. 13 -
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Darstellung Gesamtsystem 17 mit weiterentwickeltem ersten Energiewandler 26 und Arbeitsgemisch als GewichtsmediumRepresentation of the
entire system 17 with further developedfirst energy converter 26 and working mixture as weight medium - Fig. 14 -Fig. 14 -
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Darstellung Gesamtsystem 18 mit weiterentwickeltem ersten Energiewandler 26 bei reduzierter HöheRepresentation of the
entire system 18 with further developedfirst energy converter 26 at reduced height - Fig. 15 -Fig. 15 -
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Darstellung Gesamtsystem 19 mit weiterentwickeltem ersten Energiewandler 26 und Mischkammer 33 bei reduzierter HöheRepresentation of the
entire system 19 with further developedfirst energy converter 26 and mixingchamber 33 at reduced height - Fig. 16 -Fig. 16 -
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Darstellung Gesamtsystem 20 mit weiterentwickeltem ersten Energiewandler 26 und Druckerhöhungspumpe 35 bei reduzierter HöheRepresentation of the
entire system 20 with further developedfirst energy converter 26 andpressure booster pump 35 at reduced height - Fig. 17 -Fig. 17 -
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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 -
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Darstellung Gesamtsystem 211 nach dem mE-TLC2-Prozess mit ersten Energiewandler 25Representation of the
entire system 211 after the mE-TLC2 process withfirst energy converter 25 - Fig. 20 -Fig. 20 -
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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 withfirst energy converter 25 and working mixture - Fig. 21 -Fig. 21 -
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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 withfirst energy converter 26 and working mixture - Fig. 22 -Fig. 22 -
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Darstellung Gesamtsystem 219 nach dem mE-TLC2-Prozess mit ersten Energiewandler 26 und Arbeitsgemisch bei reduzierter HöheRepresentation of the
entire system 219 after the mE-TLC2 process withfirst energy converter 26 and working mixture at reduced altitude - Fig. 23 -Fig. 23 -
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Darstellung erster Energiewandler 25Representation of
first energy converter 25 - Fig. 24 -Fig. 24 -
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Darstellung erste Energiewandler 25 mit Zuführung ArbeitsgemischRepresentation of
first energy converter 25 with supply of working mixture - Fig. 25 -Fig. 25 -
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Darstellung weiterentwickelter erster Energiewandler 26Representation of further developed
first energy converter 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 möglicher Gestaltungsvarianten des Rohrsystems auf dem unteren bzw. oberen NiveauRepresentation of possible design variants of the pipe system at 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, generally used
- GB - GewichtsbereichGB - Weight range
- H - FallhöheH - Fall height
- WM - Wärmemedium, allgemein verwendetWM - Heat medium, generally used
- pA - ArbeitsdruckpA - Working pressure
- pD - DosierdruckpD - Dosing pressure
- pK - Druck KolbenstapelpK - pressure piston stack
Ziffern 1 - 7 --- Punkte für bestimmte thermodynamische Zustände in T-S und p-V Diagrammen
- Ziffer ohne Zusatz kennzeichnet Zustandspunkt für das Arbeitsmittel
- Zusatz "..wm" kennzeichnet Zustandspunkt für das Wärmemedium
- Zusatz "..gm" kennzeichnet Zustandspunkt für das Gewichtsmedium
- Zusatz "..ag" kennzeichnet Zustandspunkt für das Arbeitsgemisch aus Wärmemedium und Arbeitsmittel
- Number without additional information indicates the condition point for the work equipment
- The addition "..wm" indicates the state point for the heat medium
- The addition "..gm" indicates the state point for the weight medium
- The addition "..ag" indicates the state point for the working mixture of heat medium and working fluid
Ziffern 10 - 99 --- Bestandteile Gesamtsystem
- 11 - Gesamtsystem mit erstem Energiewandler 25 und interner Erzeugung eines Arbeitsgemisches
- 12 - Gesamtsystem mit erstem Energiewandler 25 und externer Erzeugung eines Arbeitsgemisches
- 13 - Gesamtsystem
mit erstem Energiewandler 25, externer Erzeugung eines Arbeitsgemisches bei reduzierter Höhe - 14 - Gesamtsystem
mit erstem Energiewandler 25, externer Erzeugung eines Arbeitsgemisches bei reduzierter Höhe und zusätzlicher Druckerhöhungspumpe 35 - 15 - Gesamtsystem mit weiterentwickeltem erstem Energiewandler 26, interner Erzeugung eines Arbeitsgemisches und Wärmemedium als Gewichtsmedium
- 16 - Gesamtsystem mit weiterentwickeltem erstem Energiewandler 26, externer Erzeugung eines Arbeitsgemisches und Wärmemedium als Gewichtsmedium
- 17 - Gesamtsystem mit weiterentwickeltem erstem Energiewandler 26, externer Erzeugung eines Arbeitsgemisches und Arbeitsgemisch als Gewichtsmedium
- 18 - Gesamtsystem mit weiterentwickeltem erstem Energiewandler 26, externer Erzeugung eines Arbeitsgemisches mit Druckaufbau durch Arbeitsmittel und Wärmemedium als Gewichtsmedium bei reduzierter Höhe
- 19 - Gesamtsystem mit weiterentwickeltem erstem Energiewandler 26, externer Erzeugung eines Arbeitsgemisches mit Druckaufbau durch Arbeitsgemisch und Wärmemedium als Gewichtsmedium bei reduzierter Höhe
- 20 - Gesamtsystem mit weiterentwickeltem erstem Energiewandler 26, externer Erzeugung eines Arbeitsgemisches, Wärmemedium als Gewichtsmedium sowie zusätzlicher Druckerhöhungspumpe 35 für das Arbeitsmittel bei reduzierter Höhe
- 25 - Erster Energiewandler thermische zu potentielle Energie
- 26 - Weiterentwickelter erster Energiewandler thermische zu potentielle Energie
- 31 - Wärmetauscher zur Aufnahme von Wärmeenergie
- 32 - Dampfverflüssiger für Arbeitsmitteldampf
- 33 - Mischkammer für Arbeitsmedium und Wärmemedium
- 34 - Zweiter Energiewandler, potentielle zu technisch nutzbare Energie
- 35 - Druckerhöhungspumpe
- 40 - Zuführungen, allgemein
- 41 - Zuführung Gewichtsmedium
- 51 - Arbeitsmittel, flüssig, kalt
- 52 - Arbeitsmittel, flüssig, warm
- 53 - Arbeitsmittel, dampfförmig, warm
- 54 - Arbeitsmittel, dampfförmig, kalt
- 55 - Wärmemedium, flüssig, kalt
- 56 - Wärmemedium, flüssig, warm
- 58 - Arbeitsgemisch aus Wärmemedium und Arbeitsmedium, kalt
- 59 - Arbeitsgemisch aus Wärmemedium und Arbeitsmedium, warm
- 60 - Gewichtsmedium, flüssig
- 11 - Complete system with
first energy converter 25 and internal generation of a working mixture - 12 - Complete system with
first energy converter 25 and external generation of a working mixture - 13 - Complete system with
first energy converter 25, external generation of a working mixture at reduced altitude - 14 - Complete system with
first energy converter 25, external generation of a working mixture at reduced altitude and additionalpressure booster pump 35 - 15 - Complete system with further developed
first energy converter 26, internal generation of a working mixture and heat medium as weight medium - 16 - Complete system with further developed
first energy converter 26, external generation of a working mixture and heat medium as weight medium - 17 - Overall system with further developed
first energy converter 26, external generation of a working mixture and working mixture as weight medium - 18 - Complete system with further developed
first energy converter 26, external generation of a working mixture with pressure build-up by working fluid and heat medium as weight medium at reduced height - 19 - Complete 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 weight medium at reduced height - 20 - Complete system with further developed
first energy converter 26, external generation of a working mixture, heat medium as weight medium and additionalpressure booster pump 35 for the working medium at reduced height - 25 - First energy converter thermal to potential energy
- 26 - Advanced first energy converter thermal to potential energy
- 31 - Heat exchanger for absorbing thermal energy
- 32 - Steam condenser for working fluid steam
- 33 - Mixing chamber for working medium and heat medium
- 34 - Second energy converter, potential to technically usable energy
- 35 - Booster pump
- 40 - Feeders, general
- 41 - Weight medium feed
- 51 - Working fluid, liquid, cold
- 52 - Working fluid, liquid, warm
- 53 - Working fluid, vaporous, warm
- 54 - Working fluid, vaporous, cold
- 55 - Heat medium, liquid, cold
- 56 - Heat medium, liquid, warm
- 58 - Working mixture of heat medium and working medium, cold
- 59 - Working mixture of heat medium and working medium, warm
- 60 - Weight medium, liquid
Ziffern 100 - 199 --- Erster und weiterentwickelter erster Energiewandler
- 110 - Rohrbogen, unteres Niveau
- 120 - Einbringvorrichtung, allgemein
- 121 - Einbringvorrichtung für Arbeitsmittel und Wärmemedium bzw. Arbeitsgemisch
- 122 - Einbringvorrichtung für Arbeitsmittel und Wärmemedium bzw. Arbeitsgemisch sowie Gewichtsmedium
- 125 - Kolben-Stopvorrichtung
- 126 - Dosiervorrichtung
- 130 - Aufstiegsrohr
- 140 - Rohrbogen, oberes Niveau
- 150 - Separierungsvorrichtung zur Trennung von Flüssigkeiten und Arbeitsmitteldampf
- 160 - Abstiegsrohr
- 170 - Einzelkolben
- 171 - Kolbenstapel
- 110 - Pipe bend, lower level
- 120 - Insertion device, general
- 121 - Feeding device for working fluid and heat medium or working mixture
- 122 - Feeding device for working fluid and heat medium or working mixture and weight medium
- 125 - Piston stop device
- 126 - Dosing device
- 130 - Riser tube
- 140 - Pipe bend, upper level
- 150 - Separation device for separating liquids and working fluid vapour
- 160 - Descent pipe
- 170 - Single piston
- 171 - 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.
D.h. im direkten Vergleich von TLC- und E-TLC-Prozess wird bei gleicher Menge an aufgenommener Wärmeenergie die gleiche Menge thermischer Energie durch Verdampfung von Arbeitsmittel umgewandelt.This means that in a direct comparison of TLC and E-TLC processes, the same amount of thermal energy is converted by evaporation of the working fluid for the same amount of heat energy absorbed.
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, by using a separate heat medium with other, 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 , completely new approaches arise for the technical realization of a device for converting low-temperature heat into a technically usable form of energy, which would not be possible with the use of a pure working medium 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 working medium (without index), heat medium (index "wm"), weight medium (index "gm") and 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 that is 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 workingmedium 52, theheat medium 55 or the workingmixture 58 by a low-temperature heat source without evaporation of the working medium - A
first energy converter 25 for converting the absorbed thermal energy into potential energy - A
steam condensing device 32 - A
second energy converter 34 for converting the potential energy of the workingmedium 51, theheat medium 55 or the workingmixture 58 into a technically usable form of energy -
Feeders 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, theheat 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
steam condensing 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 -
Feeders 40 for connecting the individual components - A
feed line 41 for supplyingweight 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
- Extractor for complete separation of working fluid and heat medium
- Measuring sensors and 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 medium under dosing pressure (pD) and the liquid heat medium (55) under dosing pressure (pD) - which can also be present as a working mixture (58) - from a low-temperature heat source without evaporation of the working medium - Step b: Polytropic conversion (
Fig.4 : Point 3 - Point 5) of the absorbed thermal energy 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 gained potential energy over the drop height H in static pressure - Step e: Isochoric conversion (
Fig.4 : Point 7 - Point 2) of a 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 energy, ocean heat, solar heat, waste heat from technical processes (e.g. steel and plastics industry), heat from cooling processes (e.g. cold storage, 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.
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 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 media that 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 working fluid, care must be taken to avoid chemical reactions between the working fluid and individual components of the overall system.
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 heat 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 undergo any chemical reaction or other interaction with the working medium 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 mixtures (see overall system 17), pure working fluid or an additional liquid can also be used as 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 further elaborated upon.
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 for 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 be produced are extracted 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 - present 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 leaving 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 is reached for all 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
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 jointly used
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, the fact that 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 also possible if the low-temperature heat source has the appropriate temperature.
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 operating 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 overall system decreases accordingly. The exergetic efficiency of the overall 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 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 medium or working mixture emerges from 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 medium and the heated heat 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 fluid and the liquid heat medium or the working mixture from a low-temperature heat source with simultaneous build-up of static pressure over the drop height H without evaporation of the working fluid - Step d: Isothermal conversion (
Fig.3 : Point 7 - Point 3) of a 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, upwardly directed 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 freely rotating in the pipe system - Introductory openings and an
introduction device 121 in the lower part of the pipe system for introducingheat medium 56 and working medium 52 (Fig. 23 ) or working mixture 59 (Fig.24 ) - Outlet openings and a
separating device 150 at the upper level of the pipe system for discharging the cooled,liquid heat medium 55 and the evaporated workingmedium 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 at the lower level of the pipe system for 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 many different 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 commissioning of the process
- Service facilities for filling the energy converters with pistons and working fluids, replacing defective pistons or cleaning the working fluid (e.g. from abrasion)
- Extractor for complete separation of working fluid and heat medium
- Measuring sensors and 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 part of the pipe system - exemplified 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 heated working
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 insertion of media
- Better control options for the energy converter
- Metrological 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 depends 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 into 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
- Leakage of media in the upper part of the pipe system
- a resulting pressure reduction in the
riser tube 130 - a subsequent flash evaporation of working fluid from the working mixture
- Raising the areas in the
riser tube 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 rise, 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 state-of-the-art devices.
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 medium 52 to the final volume of the completely evaporated cold working medium 54 - and - a continuous pressure relief of far more than 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 design 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 through 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 number of 5 newly added working areas per second (ideally less than one working area per second) and a minimum number of 10 working areas required to build up pressure in the pipe, the flash evaporation time is relatively long, ranging from 2 to 10 seconds (up to several minutes at higher temperatures of the warm working fluid and the heat medium due to the larger number of working areas), which cannot be achieved with state-of-the-art devices.
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 flash evaporation time prevents explosive vapor bubble formation, which poses a great danger in state-of-the-art devices 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
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 pipes that guide the pistons are provided with a thermal inner insulation that allows good sliding, 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 with a sealing and sliding material on the sealing surfaces that matches the material of the inner insulation of the tube, 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 piston scraping the media off the pipe wall result in turbulence and intensive mixing of the media. This promotes heat distribution and thus the evaporation of the working medium. This turbulence can be promoted by 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 medium 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 the inventive design of the first energy converter means that 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 over in the pipe system. This is possible with a suitable piston design. Corresponding piston designs are known in the specialist 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 tube cross-section is a supportive factor in the piston design. In addition to a circular cross-section, non-circular tube 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
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) between the maximum working pressure and the vapor condensation 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 operating 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 operating 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. 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)
- Method for the conversion of thermal energy of a low-temperature heat source with temperatures of maximum 200°C in a triangular process, hereinafter referred to as "Extended Trilateral Cycle" (E-TLC), into volume change work and subsequently technically utilisable energy, which passes through the following states or steps:• a first process state (1) with a liquid working mixture (58) under a first pressure at a first temperature• an increase in the pressure and an increase in the temperature of the working mixture to a second pressure and a second temperature without vaporisation of the working mixture, the second pressure and the second temperature being higher than the first pressure and the first temperature• a second process state (3) with the liquid working mixture (59) at the second pressure and heated to the second temperature• a flash evaporation of the working mixture initiated by external pressure reduction with partial evaporation of the working mixture with simultaneous performance of volume change work by the volume of the newly generated or volume increase of the already existing vapour• a third process state (5) with the working mixture (58) again under the first pressure, partially vaporised and cooled to the first temperature• condensation of the vaporised portion of the working mixture at the first temperature with removal of entropy to form a liquid, thereby restoring the first process state characterised in that• the working mixture consists of a working medium and a heat medium which is not chemically identical to the working medium, the heat medium having a higher vaporisation temperature than the working medium at the same pressure• during flash evaporation, only the working fluid evaporates and the heat medium remains in a liquid state at all times• the working fluid vaporises completely from the working mixture and only the heat medium remains liquid• the flash evaporation of the working fluid is polytropic• the additional thermal energy required for the polytropic flash evaporation of the working fluid is transferred from the heat medium (56) to the evaporating working fluid (52) and the heat medium cools as a result.
- Energy converter (25) for converting thermal energy into potential energy by realising the polytropic flash evaporation of a working fluid according to claim 1, process state 2 to process state 3, characterised by at least the components:• a closed, thermally insulated, upwardly orientated pipe system with an ascending pipe (130) and a descending pipe (160), connected by pipe bends (110, 140) at a lower and an upper level• a number of at least 10 pistons (170) rotating freely in the closed pipe system, which have a roughened, porous surface on the end face, which promotes bubble formation of the working fluid• introduction openings and an introduction device (121) at the lower level of the pipe system for introducing a working medium (52) heated by contact with a heat source and under a metering pressure (pD) and a heated heat medium (56) under a metering pressure (pD), which can also be present as a working mixture (59), into a working area (AB) between two pistons (170)• outlet openings at the upper level of the pipe system for discharging the completely vaporised working medium (54) under condensation pressure and the cooled heat medium (55) which has remained liquid under condensation pressure from the pipe system• a separation device (150) at the upper level of the pipe system for separating the vaporised working medium (54) and the cold heat medium (55) which has remained liquid.
- Energy converter (26) according to claim 2 characterised by at least the components:• additional introduction openings and an introduction device (122) at the lower level of the pipe system for introducing a weight medium (60) into a weight region (GB) between two working regions (AB), wherein the weight medium (60) has not been heated by the heat source• outlet openings at the upper level of the pipe system for the joint discharge of the completely vaporised working medium (54), the heat medium (55) remaining in liquid form and the weight medium (60) from the pipe system• a separation device (150) at the upper level of the pipe system for separating the vaporised working medium (54) from the cold heat medium (55) remaining in liquid form and the liquid weight medium (60).
- Energy converter (26) according to claim 3, characterised in that the energy converter (26) can be operated like an energy converter (25) according to claim 2 without a weight medium.
- Energy converter according to one of the preceding claims 2-4, characterised by• at least 10, preferably more than 20, independent individual working regions (AB) for converting the thermal energy of the heated working medium (52) and the heated heat medium (56) into potential energy in the ascent tube (130) of the energy converter• a stepless movement of the working areas from the lower to the upper level in the ascending tube (130)• a height difference between the lower and the upper level of the ascent tube (130) which requires a duration of movement of an individual working area (AB) from insertion at the lower level to reaching the upper level of at least 2 seconds, preferably more than 10 seconds• a low weight of the pistons (170) which generates only small pressure differences at the seal of the pistons (170) between the individual working areas (AB) or working areas (AB) and weight areas (GB).
- Device for converting the thermal energy of a low-temperature heat source with temperatures of maximum 200°C in two steps into technically usable mechanical energy, characterised by• at least one first energy converter according to one of the preceding claims 2-5, which raises a working medium (AM) and a heat medium (WM) from a lower level to an upper level using thermal energy of a low-temperature heat source with a temperature of at most 200°C and converts the thermal energy absorbed by the working medium (AM) and the heat medium (WM) into potential energy of the working medium (AM) and the heat medium (WM)• a second energy converter (34) which, in a hydrostatic process according to the state of the art, releases the potential energy obtained as technically usable mechanical energy by returning the working medium (AM) and the heat medium (WM) from the upper to the lower level.
- Device (11) according to claim 6, characterised in that it comprises at least the following further components:• a heat exchanger (31) for transferring the thermal energy of a low-temperature heat source with temperatures of at most 200°C to a liquid working medium (51) under metering pressure (pD) and to a liquid heat medium under metering pressure (pD), the level of the metering pressure preventing vaporisation of the working medium or the heat medium during heating• thermally insulated tubes (40) for supplying the working fluid (52) heated in the heat exchanger (31) and the heated heat medium (56) to the first energy converter (25)• tubes (40) for feeding the working fluid (54) completely vaporised in the first energy converter (25) to a vapour liquefaction device (32)• a vapour liquefaction device (32) for liquefying the vaporised working fluid (54)• tubes to supply the liquid, cold heat medium (55) and the condensed liquid working medium (51) to the second energy converter (34)• tubes to feed the working fluid (51) still under dosing pressure (pD) and the heat medium (55) under dosing pressure (pD) from the second energy converter back to the heat exchanger (31).
- Device (2xx) according to claims 6-7, characterised by an elongated, vertically arranged heat exchanger (31) upstream of the second energy converter (34), the liquid column produced in the heat exchanger by the vertical arrangement of the heat exchanger (31) generating a pressure of the working medium or of the heat medium which increases with the height of the liquid column and prevents evaporation of the working medium or of the heat medium during heating.
- Device (12-14, 16-20, 212, 216, 219) according to claim 7 or 8 characterised by a mixing chamber (33) in which the working medium (AM) and the heat medium (WM) are combined in a process-specific ratio to form a working mixture (AG) before being fed to the first energy converter (25, 26).
- Device (15-20, 216, 219) according to one of claims 6 to 9, characterised in that, in addition to the working medium (52) and the heat medium (56), a weight medium (60) can be introduced into the first energy converter (26), which is lifted from the lower to the upper level in the first energy converter (26).
- Device according to claim 10, characterised in that the weight medium (60) is• unheated heat medium or• unheated working medium or• a mixture of unheated working medium and unheated heat medium.
- Device (11-20, 211, 212, 216, 219) according to one of claims 6-11, characterised in that:• a plurality of the first energy converters (25, 26) according to any one of claims 2 to 5 are arranged in parallel, which share the other listed components• the plurality of first energy converters (25, 26) can be switched on or off individually.
- Device (11-20, 211, 212, 216, 219) according to claim 6-12, characterised in that it has a control and regulation system which:• controls the number of first energy converters (25, 26) switched on or off and adapts to changes in the temperature of the low-temperature heat source, the condensation temperature or the amount of energy available from the low-temperature heat source• regulates the quantity of the heated working medium (52), the heated heat medium (56) and the weight medium (60) fed in and adapts it to changes in the temperature of the low-temperature heat source, the condensation temperature or the amount of energy available from the low-temperature heat source.
- Process according to claim 1 for converting the thermal energy of a working medium (52) heated by the thermal energy of a low-temperature heat source having a temperature of at most 200°C and of a heat medium (56) heated to the same temperature by the thermal energy of the low-temperature heat source into potential energy of the working medium and of the heat medium, comprising the steps of• the heated liquid working fluid (52) and the heated liquid heat medium (56) are introduced into an energy converter (25, 26) according to any one of claims 2-5• the heated, liquid working medium and the heated, liquid heat medium are guided as a working mixture (AG) in the energy converter (25, 26) in a working region (AB) spatially delimited by pistons (170)• the working areas (AB) with the warm working mixture (59) are raised in the energy converter (25, 26) from a lower level to an upper level, whereby the working mixture is raised to the upper level by polytropic conversion of the thermal energy of the working medium (52) and the heat medium (56) into lifting work by complete flash evaporation of the working medium (52) after the E-TLC process.
- Method according to claim 14, characterised in that• in addition to the heated working medium (52) and heating medium (56), a non-heated weight medium (60) is lifted from the lower to the upper level• the weight medium (60) is thermally isolated from the heated working medium (52) and the heated heat medium (56) and is transported to the upper level in weight regions (GB) spatially delimited by pistons (170).
- Method according to one of the aforementioned claims 14-15, characterised in that the conversion of the thermal energy of the working medium (52) and the heat medium (56) into potential energy in the energy converter (25, 26)• takes place in at least 10, preferably more than 20 independent individual working areas (AB)• takes place in a continuous and stepless ascent of the working areas (AB) from the lower to the upper level• a continuous and stepless reduction of the dosing pressure (pD) to a condensation pressure takes place during the ascent of the working areas• a continuous and stepless increase in the volume of the working areas takes place during the ascent of the working areas.
- Process for converting the thermal energy of a low-temperature heat source with a maximum temperature of 200°C in a closed circuit into technically usable mechanical energy, characterised in that the conversion takes place in at least the following steps• the thermal energy of the low-temperature heat source is converted into potential energy in a first step in a process according to claims 14-16• In a second step, the potential energy is converted into technically utilisable mechanical energy in a hydrostatic process according to the state of the art.
- Process (E-TLC2 process) according to claim 17 with at least the following process steps:• Step a: Isobaric heating of a liquid working medium (51) under metering pressure (pD) and a liquid heat medium (55) under metering pressure (pD) - which may also be present as a working mixture (58) - from a low-temperature heat source without vaporisation of the working medium• Step b: Polytropic conversion of the absorbed thermal energy according to claim 1 in at least one, preferably several first energy converters (25, 26) according to claims 2-5 into potential energy of the working fluid and the heat medium• Step c: Isobaric condensation of the vaporised working fluid (54)• Step d: Isothermal conversion of a portion of the potential energy obtained from the working fluid and the heat medium - which may also be present as a working mixture (58) - into technically usable mechanical energy in at least one second energy conversion device (34).
- Process (mE-TLC2 process) according to claim 17 with at least the following process steps:• Step a: Polytropic conversion of the thermal energy of a heated working medium (52) under dosing pressure and a heated heat medium (56) under dosing pressure - which can also be present as a working mixture (58) - according to claim 1 in at least one, preferably several first energy converters (25, 26) according to claims 2-5 into potential energy of the working medium and the heat medium• Step b: Isobaric condensation of the vaporised working fluid (54)• Step c: Isochoric heating of the liquid working fluid (51) and the liquid heat medium (55) - which may also be present as a working mixture (58) - with simultaneous pressure increase from a low-temperature heat source (31) without vaporisation of the working fluid• Step d: Isothermal conversion of part of the potential energy obtained from the working fluid (52) and the heat medium (56) in at least one second energy converter (34) into technically usable mechanical energy without vaporisation of the working fluid.
- Method according to one of the aforementioned claims 17-19, characterised in that, by varying the quantity of the heated working medium (52), the heated heat medium (56) and possibly the weight medium (60), a continuous adaptation to changes in the temperature of the low-temperature heat source is effected• to changes in the temperature of the low-temperature heat source• to changes in the condensation temperature• to changes in the amount of energy available from the low-temperature heat source.
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