NO328702B1 - System for omforming av termisk energi til mekanisk energi. - Google Patents

Abstract

Anordning for omforming av termisk energi til mekanisk energi, omfattende minst en trykkbeholder (1, 2, 3, 4) som fremviser minst en øvre innsprøytningsåpning (5, 6) for et varmt og/eller kaldt fluid, og minst en væskestempelpumpe (25) i trykkbeholderen (1, 2, 3, 4) som er koblet til et arbeidskretsløp (8). I trykkbeholderen (1, 2, 3, 4) er det anordnet en horisontal vegg (27) som er forsynt med en boring (26), hvorved det befinner seg en gass eller gassblanding over veggen (26) og væskestempelpumpa (25) befinner seg under veggen (27).

Description

System for omforming av termisk energi til mekanisk energi

Oppfinnelsen vedrører en anordning for omforming av termisk energi til mekanisk energi, med i det minste en trykkbeholder, som har minst en øvre innsprøytningsåpning for et varmt og/eller kaldt fluid, og med ei væskestempelpumpe i trykkbeholderen koblet med et arbeidskretsløp.

Bakgrunn

EP 1 159 512 Bl beskriver et gassekspansjonselement for en anordning for omforming av termisk energi til mekanisk energi, bestående av en lukket trykkbeholder som er fylt med gass eller en gassblanding, som er virksomt forbundet med anordningen gjennom et forskyvbart stempel, og som har en øvre innsprøytningsåpning for varmt vann og en øvre innsprøytningsåpning for kaldt vann, samt en nedre vannavløpsåpning. Den nedre vannavløpsåpningen er anordnet ved den nedre enden til en sump (tysk: Sumpf) som rager nedover i forhold til trykkbeholderen, hvilken sump har en vesentlig mindre diameter enn trykkbeholderen, og stempelet er utformet som væskestempelpumpe som ved innløpssiden er tilordnet vannavløpsåpningen til trykkbeholderen, som er tilordnet vanninnløpet til et arbeidskretsløp og i sin utgangside er forbundet med et vannavløp for arbeidskretsløpet.

Videre beskriver DE 102 09 998 Al et gassekspansjonselement for en anordning for omforming av termisk energi til mekanisk energi, bestående av en lukket trykkbeholder som er fylt med en gassblanding og som er virksomt forbundet med anordningen gjennom et væskestempel og til en hver tid fremviser en øvre innsprøytningsåpning for varmt vann og for kaldt vann, og en nedre vannavløpsåpning som er forbundet med et arbeidskretsløp. Væskestempelet er anordnet inne i trykkbeholderen og på den trykksatte overflata til væskestempelet flyter et trykkbestandig skille-sjikt som blir trykksatt av gassen eller gassblandingen. Et slikt gassekspansjonselement er også kjent fra US 3 608 311 Al. Her står væskestempelet i forbindelse, gjennom en aktuell åpning, med et foroverløp og et bakoverløp til et arbeidskretsløp, samt med innsprøytningsåpningene for varmt og kaldt vann. Disse gassekspansjonselementene fremviser ulempe ved at gassen som ekspanderer ved tilførsel av varmt vann bare påvirker væskestempelet i utilstrekkelig grad og at en forholdsmessig stor varmemengde fra det innsprøytete varme vannet blir innført i væskestempelet og således ikke lenger er tilgjengelig for ekspansjon av gassen, hvorved anordningen således fremviser en forholdsvis lav virkningsgrad ved omforming av termisk energi til mekanisk energi.

Det er en oppgave med oppfinnelsen å tilveiebringe en anordning av typen beskrevet i innledningen, for omforming av termisk energi til mekanisk energi, som ved en enkel oppbygning fremviser en relativ høy virkningsgrad.

Denne oppgaven blir løst i samsvar med oppfinnelsen, ved at trykkbeholderen fremviser en horisontal vegg som er forsynt med en boring, hvorved det befinner seg en gass eller gassblanding over veggen og væskestempelpumpa befinner seg under veggen.

Ved hjelp av den horisontale veggen oppnås et termisk skille mellom gassen som vekselvis påføres varmt eller kaldt fluid, og væskestempelpumpa. Således danner boringen en type sump (tysk: Sumpf), som reduserer en overstrømning av det gassformete mediumet i området til væskestempelpumpa og således forminsker en varmeovergang mellom lufta og væskestempelet, hvorved utfelt kondensat forløper gjennom boringen i væskestempelet. Videre sikrer den romlige begrensningen på grunn av veggen en rask gjennomtrengning av gassen med det varme, henholdsvis kalde fluidet for ekspansjonen, henholdsvis kontraksjonen av lufta.

Boringen forløper fortrinnsvis konisk videre i retning til delen av trykkbeholderen som er fylt med gass. Ved hjelp av boringens konisitet, som strekker seg til omtrent veggen til trykkbeholderen, er oppsamlingen og vekkføringen av kondensat fra delen som er fylt med gass begunstiget, hvorved boringen har en gunstig innvirkning på varmeovergangen mellom gassen og væskestempelet, på grunn av dens sylindriske del.

I samsvar med en fordelaktig utførelsesform er en flottørventil innsatt med boringen i veggen, for påfyllingsbegrensning av væskestempelpumpa. Flottørventilen frigjør boringen ved ekspansjon av gassen i trykkbeholderen, slik at det skjer en påvirkning på væskestempelpumpa, og avlåser boringen ved oppnåelse av et maksimalpåfyllingsnivå for væskestempelpumpa, for å forhindre en overstrømning av væska i området til trykkbeholderen som er fylt med gass.

Flottørventilen omfatter fortrinnsvis en kurv som er skrudd inn i veggen for opptak av en plastkule, hvorved kurven fremviser den sylindriske delen til boringen. Plastkuler) har en mindre tetthet enn væska til væskestempelpumpa og er dimensjonert slik at den avlåser boringen.

For å beskytte plastkuler) til flottørventilen mot en termisk beskadning ved en gasspåvirkning med det varme fluidet, bærer kurven, i en utførelsesform, en skjerm som er festet med distansehylser, hvilken skjerm rager inn i området til trykkbeholderen som er fylt med gass eller gassblanding. Skjermen kan eksempelvis være laget av et metallmateriale og forhindrer en direkte påvirkning av plastkuler) med fluidet. Videre bidrar skjermen til en fordeling av fluidet som blir innsprøytet i trykkbeholderen, som således gjennomtrenger gassen i trykkbeholderen forholdsvis raskt.

Trykkbeholderen fremviser hensiktsmessig en tilkoblingsstuss ved sin nedre ende for forbindelse med en fremløpsledning til arbeidskretsløpet. Tilkoblingsstussen er fordelaktig koblet med et tilbakeløp til arbeidskretsløpet. I denne kombinasjonen, i hvilken både fremløpsledningen og tilbakeløpsledningen til arbeidskretsløpet er forbundet med tilkoblingsstussen, kan væskestempelet, henholdsvis påfyllingsnivåhøyden i væskestempelpumpa, registreres ved en forholdsvis enkel flottørkobling, henholdsvis begrenses med flottørventilen. Alternativt til dette blir tilbakeløpsledningen til arbeidskretsløpet, spesielt under mellomkobling av en styrbar ventil, forbundet med en ledning som fører til innsprøytningsåpningen for det kalde fluidet eller til en forrådsbeholder for fluidet. Fluidet i tilbakeløpsledningen til arbeidskretsløpet befinner seg på et relativt lavt temperaturnivå og kan føres inn i trykkbeholderen som kaldt fluid for å bevirke en kontrahering av gassene deri.

For å omforme den translatoriske bevegelsen til væskestempelpumpa i en roterende bevegelse, fører fremløpsledningen til en turbin, fra hvilken tilbakeløpsledningen forløper.

For mating av matevannkretsløpet og for trykkutligning i anordningen er fremløpsledningen fortrinnsvis tilsluttet over en ledning til forrådsbeholderen. Fyllingsnivået til forrådsbeholderen er regulerbart med en innsatt flottørventil.

I samsvar med en ytterligere utførelsesform av oppfinnelsen går det en ledning fra forrådsbeholderen, som under mellomstilling til ventiler forgrener seg til en varme- og en kjøleretning for fluidet. Her kan ventilene eksempelvis være utformet som forholdsvis enkle tilbakeslagsventiler, for trykkstyrt vekselvis å påføre gassen i trykkbeholderen varmt og kaldt fluid, hvorved det naturligvis også er tenkelig å anordne en styrt flerveis-ventil. Varme- og kjøleinnretningen er under mellomstillingen til en styrt ventil hensiktsmessig koblet til en av innsprøytningsåpningene.

Fluidet er fortrinnsvis vann eller en pentan-, toluol- eller silikonolje-holdig organisk substans. Slike organiske substanser blir anvendt i drift av kraftverk, i den såkalte Organic Rankine Cycle (ORC) -anvendelsen og har fordel ved at de ved omgivelsestrykk fordamper allerede ved forholdsmessig lave temperaturer.

For videre økning av ytelsen til anordningen er det i samsvar med en fordelaktig videreføring av oppfinnelsestanken anordnet en kortslutningsrørledning mellom to trykkbeholdere, med i det minste én styrbar ventil for trykkutligning mellom trykkbeholderene etter utførelse av arbeidet til gassen. På slutten av arbeidsfasen er det en trykkdifferanse mellom de to trykkbeholderene, som er betinget av den varme gassen til den ene trykkbeholderen og den kalde gassen til den andre trykkbeholderen. Med trykkutligningen skjer det en varmestrømning, gjennom hvilken varme-energi som fortsatt er til stede i den ene trykkbeholderen blir utnyttet for oppvarming av gassen til den andre trykkbeholderen, til en utligningstemperatur. Samtidig stiger gassmengden i trykkbeholderen med den ekspanderende gassen, hvorved en stigning av trykkdifferansen mellom de begge trykkbeholderene og således en ytelsesøkning inntreffer.

Det skal forstås at de ovenfor nevnte og nedenfor forklarte karakteristikkene ikke kun kan anvendes i den til enhver tid angitte kombinasjon, men kan også anvendes i andre kombinasjoner. Rammen til den foreliggende oppfinnelsen er kun definert av patentkravene.

Eksempel

I det følgende blir oppfinnelsen nærmere forklart ved hjelp av et utførelseseksempel, med henvisning til de tilhørende tegningene, der Figur 1 viser en skjematisk fremstilling av anordningen i samsvar med oppfinnelsen, for omforming av termisk energi til mekanisk energi,

Figur 2 viser en forstørret fremstilling av detalj II i Figur 1, i delriss,

Figur 3 viser et forstørret tverrsnittsriss av detalj III i Figur 2,

Figur 4 viser et planriss av fremstillingen i Figur 3, og

Figur 5 viser en prinsippfremstilling av et trykk-tid-diagram av anordningen i Figur 1.

Anordningen omfatter fire trykkbeholdere 1, 2, 3,4 som fremviser en øvre innsprøytnings-åpning 5 for varmt vann, samt en øvre innsprøytningsåpning 6 for kaldt vann, og på sine nedre ender en tilkoblingsstuss 7 for forbindelse med et arbeidskretsløp 8. Innsprøytningsåpningen 5 for varmt vann er forbundet, ved hjelp av en ledning 9 som har en innsatt varmeinnretning 10, med en tilordnet ventil 11 som er utformet som en tilbakeslagsventil, hvilken ventil, med en ledning 14, er koblet til en forrådsbeholder 15 for matekretsløpet, som tjener som en overstrømnings-beholder. Videre er ledningen 14 forbundet med innsprøytningsåpningen 6 for kaldt vann over en ytterligere ventil 37, som er utformet som en tilbakeslagsventil, og over en ledning 12 som er koblet med en kjøleinnretning 13. Tilkoblingsstussen 7 til hver trykkbeholder 1, 2, 3, 4 munner for det første, under mellomstilling til en tilbakeslagsventil 16, ut i en fremløpsledning 16 og for det andre ut i en tilsvarende tilbakeløpsledning 19 til arbeidskretsløpet 8 med en tilbakeslagsventil 18, hvorved fremløpsledningen 17 både er koblet med en turbin 20 så vel som, i mellomstilling til en tilbakeslagsventil 24, med en forrådsbeholder 15. Tilbakeløpsledningen 19 som er forbundet med trykkbeholderene 1, 2, 3,4 er i mellomstillingen til en styrbar ventil 22, som er utformet som en toveis-ventil, forbundet med turbinen 20.

I hver trykkbeholder 1, 2, 3, 4 er det formet ei væskestempelpumpe 25 som er koblet med arbeidskretsløpet 8. Her fremviser hver trykkbeholder 1, 2, 3,4 en horisontal vegg 27 som er forsynt med en boring 26, hvorved gassen er til stede over veggen 27 og væskestempelpumpa 25 er tilstede under veggen 27. Boringen 26 forløper konisk innenfor veggen 27 i retningen til delen av trykkbeholderene 1, 2, 3, 4 som er fylt med gass, frem til innerveggen til trykkbeholderen 1, 2, 3, 4, for å samle opp og lede kondensat som hoper seg opp til væskestempelpumpa 25.1 veggen 27 som er sveiset inn i trykkbeholderene 1, 2, 3, 4 er det skrudd inn en flottørventil 28, som rager i området til væskestempelpumpa 25 for å begrense dennes fyllingsnivå. Den øvre frontsiden 30 til flottørventilen 28 er korresponderende utformet med det koniske forløpet til boringen 26 og stenger således godt. Videre befinner den sylindriske delen 29 til boringen 26 seg sentralt i flottør-ventilen 28.1 den øvre frontsiden 30 til flottørventilen 28 befinner det seg to lommehull 31 med avstand til hverandre, for et innskruingsverktøy. I en kurv 32 til flottørventilen 28, som er lukket med et deksel 33, er det anordnet en plastkule 34 som tjener til å lukke boringen 26 ved oppnåelse av et maksimalt fyllingsnivå for væskestempelpumpa 25. For å beskytte plastkuler) 34 fra en termisk belastning ved innsprøytning av det varme fluidet i trykkbeholderen 1, 2, 3, 4, er det på den øvre frontsiden 30 til flottørventilen 28 påskrudd en hovedsakelig rektangelformet skjerm 35 med distansehylser 36.

Ved start av driften av anordningen finner først en ventilstyrt trykkutligning mellom trykk-beholderne 1 og 2 sted, som symbolisert med pilen A i Figur 3. Pilen B viser tidspunktet hvorved det varme vannet blir innsprøytet i trykkbeholderen 3, hvorved det bevirkes en ekspansjon av gassen i denne trykkbeholderen 3. Med den ekspanderende gassen blir det forskyvbare stempelet til væskestempelpumpa 25 forskjøvet, og utfører således translatorisk arbeid som gjennom fremløpsledningen 17 til arbeidskretsløpet 8 blir tilført turbinen 20 for omforming til rotasjons-arbeid. Etter trykkøkningen og det korresponderende trykkfallet i denne trykkbeholderen 3, etter stempelforskyvningen til væskestempelpumpa 25, felles vann ut, som blir ledet gjennom boringen 26 og inn i væskestempelpumpa 25. Samtidig blir det, som antydet med pilen C, sprøytet kaldt vann som er tilberedt i kjøleinnretningen 13, inn i trykkbeholderen 4, gjennom innsprøytnings-åpningen 6. Ved innsprøytning av kaldt vann i denne trykkbeholderen 4, kontraherer gassen seg og utfører således arbeid med det forskyvbare stempelet til væskestempelpumpa 25. Under denne fasen befinner trykkbeholderene 1, 2 seg på et trykknivå som tilsvarer deres utligningstrykk. Etter overføringen av det utnyttbare ekspansjons-, henholdsvis kontraksjonsarbeidettil gassen, følger en trykkutligning mellom trykkbeholderene 3, 4, hvorved kaldt vann blir innført i trykkbeholderen 1, samtidig med at varmt vann blir innført i trykkbeholderen 2, slik at deres tilordnete væske-stempelpumper 25 utrører kontraksjons-, henholdsvis ekspansjonsarbeid. Tidspunktet for innsprøytningen av kaldt vann i trykkbeholderen 1 er fremstilt med pilen D, og tidspunktet for innsprøytningen av varmt vann i trykkbeholderen 2 er fremstilt med pilen E.

Den styrbare ventilen 22 i tilbakeløpsledningen 19 er koblet slik at den forhindrer at vann kommer inn i trykkbeholderene 1, 2, 3,4 så lenge det råder en trykkutligning mellom to trykkbeholdere 1, 2, 3,4.

Claims (14)

1. Anordning for omforming av termisk energi til mekanisk energi, med i det minste én trykkbeholder (1, 2, 3,4), som fremviser minst en øvre innsprøytningsåpning (5, 6) for et varmt og/eller kaldt fluid, og med ei væskestempelpumpe (25), som er koblet med et arbeidskretsløp (8), i trykkbeholderen (1, 2, 3,4), karakterisert ved at trykkbeholderen (1, 2, 3, 4) fremviser en horisontal vegg (27) som er forsynt med en boring (26), hvorved det befinner seg en gass eller gassblanding over veggen (27) og ei væskestempelpumpe (25) under veggen (27).

2. Anordning i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at boringen (26) strekker seg konisk i retning mot delen av trykkbeholderen (1, 2, 3, 4) som er fylt med gass.

3. Anordning i samsvar med patentkrav 1 eller 2, karakterisert ved at det i veggen (27) er innsatt en flottørventil (28) med boringen (26) for fyllingsnivåbegrensning av væskestempelpumpa (25).

4. Anordning i samsvar med patentkrav 3, karakterisert ved at flottørventilen (28) omfatter en kurv (32) som er innskrudd i veggen (27), for opptak av en plastkule (34), hvorved kurven (32) fremviser den sylindriske delen (29) til boringen (26).

5. Anordning i samsvar med patentkrav 4, karakterisert ved at kurven (32) bærer en skjerm (35) som er festet med distansehylser (36), hvilken skjerm (35) rager inn i området til trykkbeholderen (1, 2, 3,4) som er fylt med gass eller gassblanding.

6. Anordning i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at trykkbeholderen (1, 2, 3, 4) ved sin nedre ende fremviser en tilkoblingsstuss (7) for forbindelse med en fremløpsledning (17) til arbeidskretsløpet (8).

7. Anordning i samsvar med patentkrav 6, karakterisert ved at tilkoblingsstussen (7) er koblet til en tilbakeløpsledning (19) til arbeidskretsløpet (8).

8. Anordning i samsvar med patentkrav 7, karakterisert ved at tilbakeløpsledningen (19) til arbeidskretsløpet (8), spesielt under mellomstilling til en styrbar ventil, er forbundet med en innsprøytningsåpning (6) for det kalde fluidet eller til en forrådsbeholder (15) for den fluidførende ledningen.

9. Anordning i samsvar med et av patentkravene 6 til 8, karakterisert ved at fremløpsledningen (17) leder til en turbin (20), fra hvilken tilbakeløpsledningen (19) forløper.

10. Anordning i samsvar med et av patentkravene 6 til 9, karakterisert ved at fremløpsledningen (17) er tilsluttet forrådsbeholderen (15) med en ledning.

11. Anordning i samsvar med et av patentkravene 1 til 10, karakterisert ved at en ledning (14) forløper fra forrådsbeholderen (15), hvilken ledning (14) ved mellomstilling til ventiler (11, 37) forgrener seg til en varme- (10) og en kjøleinnretning (13) for fluidet.

12. Anordning i samsvar med patentkrav 11, karakterisert ved at varme- (10) og kjøleinnretningen (13) ved mellomstilling til en styrt ventil er koblet til en av innsprøytningsåpningene (5, 6).

13. Anordning i samsvar med et av patentkravene 1 til 12, karakterisert ved at fluidet er vann eller en pentan-, toluol- eller silikonolje-holdig organisk substans.

14. Anordning i samsvar med et av patentkravene 1 til 13, karakterisert ved at en kortslutningsrør-ledning med i det minste en styrbar ventil for trykkutligning mellom trykkbeholderene (1, 2, 3,4) etter utførelse av arbeidet til gassen er forsynt mellom to trykkbeholdere (1, 2, 3, 4).