NL1004950C2 - Werkwijze en inrichting voor het omzetten van warmte-energie in arbeid. - Google Patents

Description

Werkwijze en inrichting voor het omzetten van warmte-energie in arbeid

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het omzetten van warmte-energie in arbeid, in het bijzonder voor het opwekken van elektrische energie, in een inrichting met een eerste deel waarin een werkmedium 5 wordt verwarmd en daarbij uitzet en een tweede deel waarin het werkmedium wordt afgekoeld en daarbij krimpt, waarbij het eerste en het tweede deel werkzaam met elkaar zijn verbonden en een gesloten systeem vormen waarin het werkmedium is opgenomen, het in het gesloten systeem opgenomen werkmedium 10 door het verwarmen in het eerste deel zonder faseverandering van vloeibaar naar gas uitzet, het werkmedium arbeid verricht, het verwarmde werkmedium aan een warmtewisselingspro-ces wordt onderworpen voor het terugwinnen van warmte-energie, welke warmte-energie verder wordt benut voor het ver-15 richten van arbeid.

Een dergelijke werkwijze is in het vak bekend. In het bijzonder heeft Malone een werkwijze beschreven (Journal of The Royal Society of Arts, 12 juni 1931, fclz. 679-703) waarbij aan een verhit werkmedium warmte wordt onttrokken 20 voor de verdere benutting daarvan voor het verrichten van arbeid. Hiertoe maakte Malone gebruik van een inrichting (ook beschreven in de thermodynamica atlas, Longman Group Ltd., blz. 78 en 90, 1972) met een eerste en een tweede verticale langwerpige kamer, welke kamers aan de onderzijde continu 25 worden verhit. De inrichting, en dus ook elke kamer, is gevuld met water als werkmedium, dat in de kamers als gevolg van de verhitting uitzet. De eerste verticale kamer staat in verbinding met een eerste aandrijfkamer, de tweede verticale kamer met een tweede aandrijfkamer. De eerste en tweede 30 aandrijfkamer zijn in eikaars verlengde geplaatste en aan de naar elkaar toegekeerde zijden afgesloten met een beweegbare dubbele zuiger. Wanneer de dubbele zuiger in een eerste uiterste stand staat is het volume van de eerste aandrijfkamer maximaal, dat van de tweede aandrijfkamer minimaal, vice 35 versa. Door het uitzetten van het werkmedium van de eerste 1 0 0 4 9 b 0 2 verticale kamer wordt de eerste aandrijfkamer gevuld en daarmee de dubbele zuiger bewogen. Aldus wordt een krukas aangedreven, welke de geleverde arbeid doorgeeft. In elke verticale kamer is een in verticale richting beweegbaar 5 staafvormig element aangebracht dat door de krukas wordt bedreven. Bij het in verticale richting bewegen van de staaf-vormige elementen verandert het voor werkmedium beschikbare volume in een langwerpige kamer niet. Als het ene langwerpige element zich in de hoogste stand bevindt, bevindt het andere 10 langwerpige element zich in de laagste stand. Verder is een langwerpig element 90° in fase verschoven ten opzichte van de stand van de dubbele zuiger. Wanneer het werkmedium in de langwerpige kamer uitzet, beweegt het langs het langwerpige element omhoog en vult de aandrijfkamer waarmee de langwerpi-15 ge kamer is verbonden. De krukas draait het langwerpige element in een lagere stand. Daardoor bevindt zich minder werkmedium in het verwarmde deel van de langwerpige kamer en koelt het werkmedium in het hoger gelegen deel van de langwerpige kamer af. Door het afkoelen krimpt het werkmedium en 20 wordt de met de langwerpige kamer in verbinding staande aandrijfkamer geleegd. Ook dit draagt bij aan het aandrijven van de dubbele zuiger. De andere langwerpige kamer werkt 180° in fase verschoven en vult op hetzelfde moment de andere aandrijfkamer, hetgeen de krukas aandrijft. Tussen het deel 25 van de langwerpige kamer dat verhit wordt en het deel dat gekoeld wordt bevindt zich een warmtewisselaar. Wanneer het hete werkmedium omhoog beweegt, geeft het warmte af aan de warmtewisselaar. Bij het naar beneden bewegen neemt het werkmedium deze warmte weer op. Derhalve is tijdens het 30 bedrijf van de inrichting het onderste deel van de warmtewisselaar heet, en het bovenste deel koud. Deze wijze van warm-tewisseling heeft het voordeel dat er weinig warmteverliezen naar het koelmedium zijn en daarmee de te bereiken omzet-tingefficiëntie van warmte in mechanische arbeid hoog is.

35 Malone gebruikte water als werkmedium terwijl de inrichting werkte bij een druk van het werkmedium van ca. 700 atm. zijn machines hadden een rendement van 23 procent, bij een temperatuurverschil tussen heet en koud werkmedium van 250°C.

De bekende werkwijze heeft het nadeel dat tijdens de 1004950 3 fase waarin het werkmedium uitzet en arbeid moet verrichten, het een koude warmtewisselaar passeert en daaraan warmte afgeeft. Dat betekent dat het werkmedium tijdens het leveren van arbeid krimpt en dit drukt de efficiëntie. Omgekeerd, 5 neemt het werkmedium tijdens de arbeid leverende krimpfase warmte op, en begint daardoor uit te zetten, waardoor ook in deze fase van de werkwijze de efficiëntie wordt gedrukt. Weliswaar gaat weinig energie verloren, doch het heen en weer transporteren van warmte is niet zinvol. De staafvormige 10 elementen hebben ook een warmtewisselend effect. Aangezien zij ten opzichte van de warmtewisselaar bewegen, komt de temperatuur ervan op een bepaalde hoogte niet overeen met die van de warmtewisselaar. Aldus wordt de doelmatigheid van de warmteterugwinning beperkt. Voor een te leveren vermogen aan 15 de (kruk)as is de inrichting groot en vergt een zware constructie .

De onderhavige uitvinding beoogt een werkwijze te verschaffen met een verhoogde efficiëntie die tevens geschikt is voor de benutting van laagwaardige warmtestromen.

20 Daartoe wordt de werkwijze volgens de onderhavige uitvinding gekenmerkt doordat een gesloten circulatiesysteem wordt toegepast waarin een vloeistof als het werkmedium wordt rondgevoerd, de vloeistof in ten minste het tweede deel in tegenstroom met een koelmedium warmtewisseling ondergaat 25 onder oplevering van opgewarmd koelmedium, welk opgewarmde koelmedium wordt benut voor het verrichten van arbeid.

Op deze wijze wordt vermeden dat het werkmedium een warmtewisseling ondergaat die het leveren van arbeid tegenwerkt .

30 Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm van de werkwij ze volgens de uitvinding wordt als de vloeistof een vloeistof toegepast met in een werkbereik een uitzettingscoëfficiënt van ten minste 0,02%/°C, bij voorkeur ten minste 0,05%/°C en met de meeste voorkeur ten minste 0,7%/°C.

35 Een vloeistof met een grote uitzettingscoëfficiënt bevordert de doelmatige omzetting van warmte in arbeid, in het bijzonder de opwekking van elektrische energie.

Het werkbereik is bij voorkeur gelegen tussen 15°C

en 100°C.

1004950 4

De werkwijze volgens de uitvinding is door de hoge efficiëntie zeer geschikt voor de benutting van warmtebronnen met een relatief lage temperatuur.

In een dergelijk geval wordt bij voorkeur als de 5 vloeistof een paraffine-omvattende vloeistof toegepast.

Paraffine-omvattende vloeistoffen, zoals paraffine en oplossingen daarvan in bijvoorbeeld koolwaterstofoplosmid-delen, vertonen bij relatief lage temperaturen een opmerkelijk grote uitzettingscoëfficiënt, en zijn daardoor zeer ge-10 schikt voor het met de werkwijze volgens de uitvinding verrichten van arbeid.

Teneinde de arbeidsverliezen door de inwendige weerstand in een geschikte inrichting te verminderen wordt als de paraffine-omvattende vloeistof bij voorkeur een vloei-15 stof toegepast die een de inwendige weerstand verminderende toevoeging bevat.

Geschikt wordt voor het verminderen van de stro-mingsweerstand een stof zoals Petrolad (B.R.B., Ittervoort, Nederland) toegevoegd, bijvoorbeeld in een verhouding van 20 1:10.000. Voor het verminderen van wrijving tussen bewegende onderdelen kan een toevoeging van bijvoorbeeld 1-4% van een teflon of molybdeensulfide toegepast, welke als korrels met een gemiddelde grootte van bijv. 3 μτη in het werkmedium wordt gedispergeerd.

25 Het werkbereik kan met groot voordeel aan een be schikbare warmtebron, welke men wenst te benutten voor het leveren van arbeid, worden aangepast doordat als de paraffine -omvattende vloeistof een een door verdunnen naar lagere temperatuur verschoven werkbereik bezittende paraffine-omvat -30 tende vloeistof wordt toegepast.

Volgens een verdere uitvoeringsvorm volgens de uitvinding wordt het werkmedium in het te verwarmen deel in tegenstroom met een warmtebron verwarmd.

Aldus wordt de in de warmtebron aanwezige warmte-35 energie optimaal benut.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een inrichting geschikt voor het omzetten van warmte-energie in arbeid volgens een werkwijze volgens de uitvinding, welke inrichting een te verwarmen deel en een te koelen deel omvat welke delen 1004950 5 een voor een werkmedium gesloten systeem vormen, waarbij tijdens bedrijf het werkmedium van het te verwarmen deel naar het te koelen deel kan stromen, en de inrichting verder is voorzien van een door het werkmedium aan te drijven as alsme-5 de van een warmtewisselaar voor het terugwinnen van niet in arbeid omgezette warmte-energie.

Een dergelijke inrichting is door Malone (1931, supra) beschreven.

De inrichting volgens de uitvinding wordt gekenmerkt 10 doordat - het te verwarmen deel een eerste toevoeropening voor koud werkmedium en een eerste afvoeropening voor warm werkmedium bezit, - het te koelen deel een tweede toevoeropening voor 15 warm werkmedium en een tweede afvoeropening voor koud werkmedium bezit, de eerste afvoeropening via een eerste wisselaf-sluiter in een eerste stand is verbonden met een eerste opslagkamer voor warm werkmedium en in een tweede stand met 20 een tweede opslagkamer voor warm werkmedium en de tweede toevoeropening in de tweede stand is verbonden met de eerste opslagkamer voor warm werkmedium en in de eerste stand met de tweede opslagkamer voor warm werkmedium, - de eerste toevoeropening via een tweede wissel-25 afsluiter in een eerste stand is verbonden met een eerste opslagkamer voor koud werkmedium en in een tweede stand met een tweede opslagkamer voor koud werkmedium en de tweede afvoeropening in de tweede stand is verbonden met de eerste opslagkamer voor koud werkmedium en in de eerste stand met de 30 tweede opslagkamer voor koud werkmedium, de eerste opslagkamer voor warm werkmedium werkzaam is verbonden met de eerste opslagkamer voor koud werkmedium zodanig dat wanneer de eerste opslagkamer voor warm werkmedium tijdens bedrijf maximaal gevuld is de eerste 35 opslagkamer voor koud werkmedium minimaal gevuld is en vice versa, - de tweede opslagkamer voor warm werkmedium werkzaam is verbonden met de tweede opslagkamer voor koud werkmedium zodanig dat wanneer de tweede opslagkamer voor warm 1004950 6 werkmedium tijdens bedrijf maximaal gevuld is de tweede opslagkamer voor koud werkmedium minimaal gevuld is en vice versa, - de eerste opslagkamer voor warm werkmedium tijdens 5 bedrijf maximaal gevuld is wanneer de tweede opslagkamer voor warm werkmedium tijdens bedrijf minimaal gevuld is, en - middelen zijn voorzien voor het van een fase waarin de eerste opslagkamer voor warm werkmedium en de tweede opslagkamer voor koud werkmedium maximaal gevuld zijn 10 brengen naar een fase waarin deze minimaal gevuld zijn vice versa - het te verwarmen deel via een door stroming van het werkmedium aan te drijven orgaan met het te koelen deel is verbonden, welk orgaan de as omvat.

15 Deze inrichting creëert een in hoofdzaak constante stroom werkmedium door het aan te drijven orgaan, waarbij het werkmedium in het orgaan, in tegenstelling tot bij de inrichting van Malone, slechts in één richting beweegt.

Volgens een gunstige uitvoeringsvorm zijn de eerste 20 opslagkamer voor warm werkmedium en de eerste opslagkamer voor koud werkmedium respectievelijk de tweede opslagkamer voor warm werkmedium en de tweede opslagkamer voor koud werkmedium voorzien van zuigers.

Aldus wordt op praktische wijze het wijzigen van het 25 volume van de opslagkamers mogelijk gemaakt.

Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm wordt de inrichting volgens de uitvinding gekenmerkt doordat deze is voorzien van middelen voor het tijdens bedrijf onder verhoogde druk houden van een niet naar de opslagkamer gekeerde 30 zijde van de zuiger, welke middelen bij voorkeur geschikt zijn voor het handhaven van een druk die even hoog is als de in het deel heersende druk, en de middelen thermisch isolerende middelen zijn.

Aldus kan wrijving in de inrichting worden vermin-35 derd en de efficiëntie worden verhoogd.

De uitvinding zal thans worden toegelicht aan de hand van het volgende, niet-beperkende uitvoeringsvoorbeeld onder verwijzing naar de bijgaande tekening, waarin

Fig. 1 een schematische weergave laat zien van de 1004950 7 inrichting volgens de uitvinding in een eerste werkstand;

Fig. 2 een schematische weergave laat zien van de in Fig. 1 weergegeven inrichting in een tweede werkstand;

Fig. 3a een doorsnede laat zien van een deel van een 5 warmtewisselaar geschikt voor een uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding, en fig. 3b een dwarsdoorsnede voorstelt langs lijn III-III;

Fig. 4 een gedetailleerde dwarsdoorsnede in zijaanzicht voorstelt van een uitvoeringsvorm van de inrichting 10 volgens de uitvinding; en

Fig. 5 een grafische weergave van het uitzettingsge-drag van een aantal paraffinesoorten is.

De in Fig. 1 weergegeven inrichting voor het omzetten van warmte-energie in arbeid, in het bijzonder in elek-15 triciteit, omvat een te verwarmen deel 1 en een te koelen deel 2. Het te verwarmen deel 1 bezit een toevoeropening 3 en een afvoeropening 4, en het te koelen deel 2 bezit een toevoeropening 5 en een afvoeropening 6. De afvoeropening 4 en de toevoeropening 5 zijn op een hierna beschreven wijze met 20 elkaar verbonden, evenals de afvoeropening 6 en de toevoeropening 3, waardoor een gesloten systeem is gevormd. In het gesloten systeem wordt voor het bedrijven ervan een tot stromen in staat zijnd werkmedium, in het bijzonder een vloeistof, gebracht. Onder de term werkmedium wordt in de 25 onderhavige uitvinding ook suspensies en pasta's begrepen.

Het werkmedium heeft in een werkgebied een bij voorkeur een zo groot mogelijke warmtecoëfficiënt. Onder werkgebied wordt verstaan een temperatuurbereik dat aan de onderzijde wordt begrensd door de temperatuur van een koelme-30 dium en aan de bovenzijde door de temperatuur van een warmtebron, hetgeen hierna nader zal worden toegelicht. Door het onder invloed van warmte-opname uitzetten van het werkmedium wordt een werkmediumstroom opgewekt, welke warmtemediumstroom wordt benut voor het verrichten van arbeid. Zo kan de inrich-35 ting zijn voorzien van een orgaan voor het omzetten van stromingsenergie in rotatie-energie, zoals een hydromotor 9 met een as 10. De as 10 is bij voorkeur aangesloten op een generator (niet weergegeven) voor het opwekken van elektriciteit .

1004950 8

Het te koelen deel 2 is ingericht om onder toepassing van het tegenstroomprincipe te worden gekoeld. In de weergegeven uitvoeringsvorm geschiedt dit door middel van een buis 7 die het te koelen deel 2 omgeeft. Door de buis 7 5 stroomt tijdens het bedrijf van de inrichting het koelmedium in de met een pijl aangegeven richting. Voor doelmatige warmte-overdracht, en in het bijzonder het beperkt houden van de hoeveelheid verwarmd oppervlak, is het koelmedium bij voorkeur een vloeistof.

10 Met voordeel wordt ook het te verwarmen deel l in tegenstroom verwarmd. Dit gebeurt in de weergegeven uitvoeringsvorm met voordeel door het door een buis 8, welke buis 8 hier het te verwarmen deel 1 omgeeft, leiden van door het te koelen deel 2 opgewarmd koelmedium.

15 Bij voorkeur neemt het koelmedium zoveel mogelijk warmte uit het werkmedium in het te koelen deel 2 op. Aldus wordt niet in arbeid omgezette warmte-energie teruggewonnen om alsnog in arbeid te worden omgezet.

De warmte-energie die wordt omgezet in arbeid moet 20 worden aangevuld, hetgeen geschiedt door een warmtebron. Deze warmtebron kan elke warmtebron zijn, zoals warmte opgewekt door middel van verbranding van organische stoffen, zoals biogas, olie, hout, kolen enz., kernenergie, zonne-energie, restwarmte afkomstig uit de procesindustrie of van warmte-25 krachtinrichtingen, aardwarmte enz.

De warmte wordt bij voorkeur toegevoerd in de vorm van een vloeibaar medium, weer om de hoeveelheid verwarmd oppervlak beperkt te houden.

In de weergegeven uitvoeringsvorm is het medium een 30 warmtebron, zoals te lozen warm proceswater, die eveneens aan de buis 8 wordt toegevoerd en tezamen met het afgekoelde koelmedium wordt afgevoerd. Aangezien het niet mogelijk is de warmte volledig uit het te koelen deel 2 terug te winnen, en uiteraard een deel van de warmte in arbeid is omgezet, is de 35 temperatuur van het opgewarmde koelmedium per definitie lager dan dat van de warmtebron. In de weergegeven uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding is daarmee rekening gehouden door het opgewarmde koelmedium stroomafwaarts ten opzichte van plaats van toevoeren van de warmtebron in de 1004950 9 buis 8 te brengen.

In de weergegeven uitvoeringsvorm is de afvoerope-ning 4 van het te verwarmen deel 1 via een eerste wisselaf-sluiter 11 in een eerste stand verbonden met een eerste 5 opslagkamer 12 voor opgewarmd werkmedium. In die eerste stand van de eerste wisselafsluiter 11 is de toevoeropening 5 van het te koelen deel 2 verbonden met een tweede opslagkamer 13 voor opgewarmd werkmedium.

Evenzo is de afvoeropening 6 van het te koelen deel 10 2 via een tweede wisselafsluiter 14 in een eerste stand verbonden met een eerste opslagkamer 16 voor afgekoeld werkmedium. In die eerste stand van de tweede wisselafsluiter 14 is de toevoeropening 3 van het te verwarmen deel 1 verbonden met een tweede opslagkamer 15 voor afgekoeld werkmedium. De 15 opslagkamers 12, 13, 15, 16 zijn met het oog op de tijdens bedrijf van de inrichting optredende hoge drukken geschikt cilindervormig.

De eerste opslagkamer 12 voor warm werkmedium is werkzaam verbonden met de eerste opslagkamer 15 voor afge-20 koeld werkmedium. Evenzo is de tweede opslagkamer 13 voor opgewarmd werkmedium werkzaam verbonden met de tweede opslagkamer 16 voor afgekoeld werkmedium. Wanneer een opslagkamer voor opgewarmd werkmedium leeg is, is de opslagkamer voor afgekoeld werkmedium vol, en vice versa. Wanneer de ene 25 opslagkamer voor warm werkmedium leeg is, is de andere opslagkamer voor warm werkmedium vol, en vice versa.

In de weergegeven uitvoeringsvorm geschiedt het tot stand brengen van de genoemde relaties door middel van hierna beschreven zuigers welke zijn verbonden met een eerste tand-30 heugel 17 en een tweede tandheugel 18. De zuigers worden bewogen door middel van een aan te drijven tandwiel 19. Het tandwiel 19 kan direct door de as 10 worden aangedreven, al dan niet met tussenkomst van een tandwielkast, of indirect door middel van een motor.

35 Tijdens het bedrijf zet werkmedium in het op te warmen deel 1 uit. Hierdoor wordt in deel 1 een druk opgebouwd. Werkmedium kan deel 1 verlaten via verbinding 20 tussen deel 1 en deel 2, welke verbinding 20 de hydromotor 9 omvat. In de weergegeven uitvoeringsvorm is de verbinding 1004950 10 gelegen tussen de koude uiteinden van de delen 1 en 2, doch kan evengoed de warme uiteinden van de delen 1 en 2 met elkaar verbinden.

Aangezien het in het op te warmen deel l aanwezige 5 werkmedium volledig zou worden opgewarmd, waardoor de stroom werkmedium via verbinding 20 en daarmee de levering van arbeid zou stoppen, als deel l niet van koud werkmedium zou worden voorzien, wordt koud werkmedium aangevoerd uit de eerste opslagkamer 15 voor koud werkmedium. Dit geschiedt 10 door een eerste zuiger 21 en een tweede zuiger 22, welke in de weergegeven uitvoeringsvorm via tandheugel 17 zijn verbonden te bewegen, zodanig dat de eerste opslagkamer 12 voor warm werkmedium wordt gevuld en de tweede opslagkamer 15 voor koud werkmedium wordt geleegd.

15 Na het ledigen van de tweede opslagkamer voor koud werkmedium, worden de eerste en tweede wisselafsluiters 11, 14 in de tweede stand gezet (Fig. 2). Hierdoor kan warm werkmedium uit de gevulde eerste opslagkamer 12 naar het koude deel 2 stromen en krimpen. Hierdoor wordt het transport 20 van werkmedium uit het warme deel 1 via verbinding 20 bevorderd. De stromingsrichting in de verbinding 20 blijft derhalve hetzelfde. Bij de beschreven inrichting stroomt over de hydromotor 9 slechts een hoeveelheid werkmedium ter grootte van de volumetoename.

25 Bij het schakelen tussen de eerste en tweede stand van de wisselafsluiters 11, 14 ondervinden de opslagkamers die eerst onder hoge druk stonden een plotselinge drukverla-ging. Om schade aan de inrichting te voorkomen zijn verscheidene maatregelen denkbaar. Zo kunnen de zuigers 21 en 22 zijn 30 stilgezet, of zelfs de andere kant op worden bewogen, waardoor de warmtewisseling wordt stilgezet. Aangezien nog steeds paraffine via de verbinding 20 stroomt, wordt de druk genivelleerd en kunnen de wisselafsluiters 11, 14 in de andere stand worden gebracht. Desgewenst kan ook de toevoer van 35 koelmedium en de warmtebron worden stilgezet.

Bij het opstarten van de inrichting, wanneer al het werkmedium koud en dus gekrompen is, zet een deel van het werkmedium uit. Om te voorkomen dat de inrichting hierdoor wordt vernield, zijn expansievaten 23, 24 voorzien.

1004950 11

Een voordeel van de beschreven inrichting is dat de onderdelen van de inrichting tijdens bedrijf in hoofdzaak op dezelfde temperatuur blijven.

Bij de werkwijze volgens de uitvinding zijn de 5 werkdrukken zeer hoog, en liggen gebruikelijk tussen 100 en 1000 bar. De inrichting is op het gebruik van dergelijke drukken aangepast door het gebruik van ronde, d.w.z. cilindervormige leidingen en opslagkamers. Voor goede warmte-over-dracht wordt met voordeel gebruik gemaakt van koper of koper-10 legeringen.

De warmtestromen zijn relatief groot ten opzichte van de hoeveelheid warmte die in arbeid wordt omgezet. Voor een efficiënte omzetting van warmte in arbeid dient warmte effectief te worden teruggewonnen. Dit wordt volgens een 15 gunstige uitvoeringsvorm bereikt door het te verwarmen deel 1 uit te voeren in de vorm van een spiraalvormige buis en bij voorkeur onder gebruikmaking van een verdeelstuk (zichtbaar in fig. 4) een aantal spiraalvormige buizen la,b,c,d,e,f,g (Fig. 3a,b). De buizen 1 worden op afstand van elkaar gehou-20 den door middel van spiraalvormig daaromheen gewikkelde afstandhouders 25. Deze bevorderen tevens de menging van om de buizen 1 bewegende vloeistof (onderbroken pijl), welke vloeistof in tegenstroom is met het werkmedium (pijl). Het geheel van buizen 1 en afstandhouders 25 bevindt zich binnen 25 een spiraalvormige buis 26. De constructie is te zien in Fig. 4, waarbij het te verwarmen deel 1 het te koelen deel 2 omgeeft, om een compacte inrichting te bereiken.

Afhankelijk van de temperatuur van het opgewarmde koelmedium, wordt dit via een van de afsluiters 27, 28, 29 30 aan het te verwarmen deel toegevoerd. Het criterium daarbij is dat de temperatuur van het koelmedium in hoofdzaak gelijk is aan of enigszins hoger is dan de temperatuur van het werkmedium ter hoogte van de plaats van toevoer.

De inrichting wordt geregeld met behulp van in het 35 vak algemene regel- en meetapparatuur, zoals voor de vakman uit de beschrijving duidelijk is. In het bijzonder worden druk- en temperatuurmetingen (P en T) uitgevoerd, en wordt de toevoer van warmte via buis 8, de toevoer van koelmedium via buis 7, de schakeling van wisselafsluiters 11, 14 en de 1004950 12 beweging van de zuigers 21, 22 door middel van een computer gestuurd.

Fig. 5 laat zien dat verschillende soorten paraffine verschillend uitzettingsgedrag laten zien en dat bijgevolg 5 een paraffine kan worden gekozen die in het werkgebied, d.w.z. afhankelijk van de temperatuur van een bepaalde warmtebron, een maximale uitzetting vertoont (In de figuur geeft ♦ het smeltpunt van de paraffine aan). Een steile kromme, d.w.z. in het werkgebied grote uitzettingscoëfficiënt, bete-10 kent dat de hoeveelheid verwarmd oppervlak beperkt kan worden gehouden, hetgeen de omvang en de kosten van de inrichting sterk drukt en gunstig is voor het te bereiken omzettingsren-dement. De in fig. 5 weergegeven krommen zijn respectievelijk van I Type 4444 met C18 paraffine (volumeverhouding 66:34), 15 II Type 4444, III Type VP858, IV Type 5600. Het blijkt mogelijk de uitzettingscoëfficiënt en het smeltpunt van een paraffine te beïnvloeden door het toevoegen van andere paraffines en oplosmiddelen (vergelijk kromme II en I). Een geschikt werkmedium zou kunnen bestaan uit de volgende vier componen-20 ten, C18-C20, Type 2139, C14-C17 (paraffines van Schüman-Sasol, Hamburg, Duitsland) en Petroleum Jellie Merkur 746 (B.R.B. Ittervoort, Nederland) in de volumeverhoudingen 70:20:5:5. Een mengsel bestaande uit 75% C18-C20, 15% Type 2139 en 10% C10-C13 heeft een nog lager werktemperatuurbereik 25 (20-55°C).

De uitvinding is bijzonder geschikt voor het benutten van laagwaardige warmtebronnen, bijvoorbeeld met een temperatuur van ca. 60°C.

Het is voor de deskundige duidelijk dat de werkwijze 30 volgens de uitvinding met een verscheidenheid aan inrichtingen kan worden uitgevoerd. Zo kan een eenvoudige lus zijn voorzien, waarbij een eerste, in tegenstroom verwarmd deel tijdens bedrijf onder hoge druk staat, en het hete uiteinde ervan via een hydromotor is verbonden met het tweede deel, te 35 weten het hete uiteinde ervan. In het tweede deel wordt het werkmedium in tegenstroom gekoeld en koud, met geringer volume, door een al dan niet direct door de hydromotor aangedreven pomp in het koude uiteinde van het eerste deel gepompt. Bij het koelen van het tweede deel opgewarmd koelmedi- 1004950 13 urn wordt gebruikt voor het in tegenstroom opwarmen van het eerste deel.

Het spreekt voor zich dat bij het ontwerpen van een inrichting rekening wordt gehouden met de interne 5 (stromings)weerstand van het werkmedium. Deze weerstand dient te worden beperkt, aangezien deze ten koste gaat van het te leveren vermogen.

Voor het beperken van de weerstand bij de als voorbeeld beschreven inrichting bestaan verscheidene mogelijkhe-10 den. De fig. 1 weergegeven uitvoeringsvorm toepaste zuigers 21 en 22 vragen om een uitstekende afdichting, hetgeen de wrijving vergroot. In plaats daarvan kunnen de opslagkamers 12 en 16 met elkaar zijn verbonden, en bijvoorbeeld zijn uitgevoerd als een slecht warmtegeleidende buis, waarin een 15 beweegbaar lichaam is gebracht. Aangezien er in deze situatie geen sprake is van een groot drukverschil, hoeft het beweegbare lichaam met veel minder kracht tegen de binnenwand van de buis af te dichten, en blijft de wrijving beperkt. In plaats van aandrijving van het beweegbare lichaam door de 20 wand van de inrichting, kan binnen in de inrichting, bijvoorbeeld in opslagkamer 15 een motor zijn voorzien voor het laten bewegen van het beweegbare lichaam. De verplaatsing kan worden bereikt middels een schroef die door het beweegbare lichaam tot in de andere opslagkamer steekt. Ook de generator 25 10 kan zich binnen in de inrichting bevinden. In dat geval zijn er in het geheel geen beweegbare delen die zich door de wand van de inrichting bewegen en worden lekkage- en wrij-vingsproblemen tot een minimum teruggebracht.

De werkwijze en inrichting volgens de uitvinding 30 zijn geschikt voor de benutting van laagwaardige warmte (afval)warmte, zoals afkomstig uit geothermische bronnen. Een verdere mogelijke toepassing is betreft microwarmtekracht centrale verwarmingsinstallaties en zonnecollectoren, desgewenst in combinatie met warmteopslag. In deze gevallen is het 35 niet nodig de warmte van de warmtebron volledig te benutten, aangezien deze warmte daarna toch voor ruimteverwarming wordt gebruikt respectievelijk als nog maar weinig op te warmen medium door de zonnecollector wordt gevoerd. De inrichting kan verder bruikbaar zijn voor de ontwikkeling van hybridemo- 1004950 14 toren voor vervoermiddelen, zoals personenauto s.

1 0 0 A 9 50

Claims (11)

1. Werkwijze voor het omzetten van warmte-energie in arbeid, in het bijzonder voor het opwekken van elektrische energie, in een inrichting met een eerste deel waarin een werkmedium wordt verwarmd en daarbij uitzet en een tweede 5 deel waarin het werkmedium wordt afgekoeld en daarbij krimpt, waarbij het eerste en het tweede deel werkzaam met elkaar zijn verbonden en een gesloten systeem vormen waarin het werkmedium is opgenomen, het in het gesloten systeem opgenomen werkmedium door het verwarmen in het eerste deel zonder 10 faseverandering van vloeibaar naar gas uitzet, het werkmedium arbeid verricht, het verwarmde werkmedium aan een warmtewis-selingsproces wordt onderworpen voor het terugwinnen van warmte-energie, welke warmte-energie verder wordt benut voor het verrichten van arbeid, met het kenmerk, dat een gesloten 15 circulatiesysteem wordt toegepast waarin een vloeistof als het werkmedium wordt rondgevoerd, de vloeistof in ten minste het tweede deel in tegenstroom met een koelmedium warmtewis-seling ondergaat onder oplevering van opgewarmd koelmedium, welk opgewarmde koelmedium wordt benut voor het verrichten 20 van arbeid.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat als de vloeistof een vloeistof wordt toegepast met in een werkbereik een uitzettingscoëfficiënt van ten minste 0,02%/°C, bij voorkeur ten minste 0,05%/°C en met de meeste 25 voorkeur ten minste 0,7%/°C.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat het werkbereik tussen 15°C en 100°C ligt.

4. Werkwijze volgens conclusie 2 of 3, met het kenmerk, dat als de vloeistof een paraffine-omvattende vloei- 30 stof wordt toegepast.

5. Werkwijze volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat als de paraffine-omvattende vloeistof een vloeistof wordt toegepast die een de inwendige weerstand verminderende toevoeging bevat.

6. Werkwijze volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat als de inwendige weerstand verminderende toevoeging 1-4% 1004950 van een teflon of molybdeensulfide wordt toegepast.

7. Werkwijze volgens één van de conclusies 4 tot 6, met het kenmerk, dat als de paraffine-omvattende vloeistof een een door verdunnen naar lagere temperatuur verschoven 5 werkbereik bezittende paraffine-omvattende vloeistof wordt toegepast.

8. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het werkmedium in het te verwarmen deel in tegenstroom met een warmtebron wordt verwarmd.

9. Inrichting geschikt voor het omzetten van warmte- energie in arbeid volgens een werkwijze volgens een van de conclusies 1 tot 8, welke inrichting een te verwarmen deel en een te koelen deel omvat welke delen een voor een werkmedium gesloten systeem vormen, waarbij tijdens bedrijf het werk- 15 medium van het te verwarmen deel naar het te koelen deel kan stromen, en de inrichting verder is voorzien van een door het werkmedium aan te drijven as alsmede van een warmtewisselaar voor het terugwinnen van niet in arbeid omgezette warmte-energie, met het kenmerk, dat 20. het te verwarmen deel een eerste toevoeropening voor koud werkmedium en een eerste afvoeropening voor warm werkmedium bezit, - het te koelen deel een tweede toevoeropening voor warm werkmedium en een tweede afvoeropening voor koud werk- 25 medium bezit, de eerste afvoeropening via een eerste wisselaf-sluiter in een eerste stand is verbonden met een eerste opslagkamer voor warm werkmedium en in een tweede stand met een tweede opslagkamer voor warm werkmedium en de tweede 30 toevoeropening in de tweede stand is verbonden met de eerste opslagkamer voor warm werkmedium en in de eerste stand met de tweede opslagkamer voor warm werkmedium, - de eerste toevoeropening via een tweede wissel-afsluiter in een eerste stand is verbonden met een eerste 35 opslagkamer voor koud werkmedium en in een tweede stand met een tweede opslagkamer voor koud werkmedium en de tweede afvoeropening in de tweede stand is verbonden met de eerste opslagkamer voor koud werkmedium en in de eerste stand met de tweede opslagkamer voor koud werkmedium, 1004950 de eerste opslagkamer voor warm werkmedium werkzaam is verbonden met de eerste opslagkamer voor koud werkmedium zodanig dat wanneer de eerste opslagkamer voor warm werkmedium tijdens bedrijf maximaal gevuld is de eerste 5 opslagkamer voor koud werkmedium minimaal gevuld is en vice versa, - de tweede opslagkamer voor warm werkmedium werkzaam is verbonden met de tweede opslagkamer voor koud werkmedium zodanig dat wanneer de tweede opslagkamer voor warm 10 werkmedium tijdens bedrijf maximaal gevuld is de tweede opslagkamer voor koud werkmedium minimaal gevuld is en vice versa, - de eerste opslagkamer voor warm werkmedium tijdens bedrijf maximaal gevuld is wanneer de tweede opslagkamer voor 15 warm werkmedium tijdens bedrijf minimaal gevuld is, en - middelen zijn voorzien voor het van een fase waarin de eerste opslagkamer voor warm werkmedium en de tweede opslagkamer voor koud werkmedium maximaal gevuld zijn brengen naar een fase waarin deze minimaal gevuld zijn vice 20 versa - het te verwarmen deel via een door stroming van het werkmedium aan te drijven orgaan met het te koelen deel is verbonden, welk orgaan de as omvat.

10. Inrichting volgens conclusie 9, met het kenmerk, 25 dat de eerste opslagkamer voor warm werkmedium en de eerste opslagkamer voor koud werkmedium respectievelijk de tweede opslagkamer voor warm werkmedium en de tweede opslagkamer voor koud werkmedium zijn voorzien van zuigers.

11. Inrichting volgens conclusie 10, met het ken-30 merk, dat deze is voorzien van middelen voor het tijdens bedrijf onder verhoogde druk houden van een niet naar de opslagkamer gekeerde zijde van de zuiger, welke middelen bij voorkeur geschikt zijn voor het handhaven van een druk die even hoog is als de in het deel heersende druk, en de midde-35 len thermisch isolerende middelen zijn. 1004950