WO2005066465A1 - Verfahren und anlage zur umwandlung von wärmeenergie aus kältemaschinen - Google Patents

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low
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Erwin Oser
Michael Rannow
Hubert Hamm
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Erwin Oser
Michael Rannow
Hubert Hamm
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    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
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    • F01K25/065—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using mixtures of different fluids with an absorption fluid remaining at least partly in the liquid state, e.g. water for ammonia
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Definitions

  • the invention relates to a method for converting thermal energy, which arises in a refrigerator from the condensation of a refrigerant, into mechanical energy, in which a working medium is evaporated in an evaporator by the thermal energy, which is relaxed in a relaxation device and at least partially the thermal energy is converted into mechanical energy. Furthermore, the invention relates to a plant for converting thermal energy into mechanical energy.
  • thermal power plants are known in which a working fluid is isobarically heated to the boiling point at a high pressure in a boiler, evaporated and then still overheated in a superheater. The steam is then adiabatically expanded in a turbine, performing work, and liquefied in a condenser, giving off heat. The liquid is brought to a pressure by the feed water pump and fed back into the boiler.
  • One of the disadvantages of these devices is that high pressure of over 15 bar to 200 bar must be generated in the expansion processes in turbines, since in turbines the pressure ratio of the expansion achieved is decisive for the efficiency achieved.
  • the invention has for its object to provide a method and a system for converting thermal energy into mechanical energy, which avoid the disadvantages mentioned, in particular have an improved efficiency.
  • the expansion takes place in a low-pressure expansion device and the energy contained in the expanded vaporous working medium can be fed back into the evaporator and can be used for the evaporation of additional working medium.
  • the method preferably has a first component of the working medium, which is formed by a mixture, is absorbed in and / or after the low-pressure relaxation device by means of an absorption medium, heat being present the remaining vaporous second component passes over, which is recyclable.
  • the mixture is an azeotrope with a minimum boiling point at a specific mixing ratio of the components.
  • the evaporation temperatures can be reduced, depending on the type, so that they are below the condensation temperatures of the individual components. If the first component is absorbed adiabatically from the vapor mixture, the corresponding heat is transferred to the second component remaining in vapor form. The heat of condensation can thus be withdrawn at an elevated temperature level.
  • the second vaporous component can be condensed in the evaporator of the working medium itself, giving off the heat of condensation, so that the corresponding proportion of the thermal energy can be returned to the process.
  • the first component to be absorbed is water, an alkaline silicate solution, for example, can be used as the absorbent.
  • the working fluid for example an azeotropic mixture of water and perchlorethylene
  • the absorption in which, according to the invention, the heat of absorption is transferred to the second component remaining in vapor form, as a result of which this component heats up to a temperature level above the boiling point of the azeotropic mixture, can take place in and / or after the expansion device.
  • One of the main advantages here is that mechanical energy can be "gained” by relaxing the azeotropic mixture and, at the same time, the relaxed working medium, which has already done “work” in the relaxation process, by separating (absorbing) the first from the second component heated due to the released heat of absorption.
  • the remaining working fluid can be returned after the expansion, for example to give off its heat in a heat exchanger.
  • the remaining work equipment only second component
  • a heat exchanger evaporator
  • the remaining working fluid condenses and, due to the heat of condensation, the liquid working fluid evaporates with the first and second components and is then fed back into the expansion device.
  • the efficiency of the method for converting thermal energy into mechanical energy can be significantly improved.
  • the working medium is preferably formed by an azeotropic mixture with a boiling point minimum or an almost azeotropic mixture.
  • the invention is described below with an azeotropic mixture; the invention can of course also be applied to almost azeotropic mixtures or to non-azeotropic mixtures. High efficiencies can be achieved particularly with an azeotropic or an almost azeotropic mixture.
  • the evaporation temperatures can be lowered so that they are below the evaporation temperatures of the individual components.
  • the working medium has a low volume-specific or low molar enthalpy of vaporization. This ensures that a large amount of motive steam is generated with a predetermined amount of thermal energy.
  • the working medium is preferably a solvent mixture which has organic and / or inorganic solvent components. Examples of this are mixtures of water and selected silicones. At least one component can advantageously be a protic solvent.
  • the absorbent is a reversible immobilizable solvent, which is the first in the non-immobilized physical state Component of the work equipment.
  • the reversible solvent in the boiling working medium can advantageously change through physical-chemical changes in such a way that it can be changed from the non-immobilized state to the reversibly immobilized state by ionization or complex formation from the vapor phase and in the non-immobilized form as an absorbent works for the work equipment.
  • the vaporous working medium already contains the absorption medium (in the non-immobilized state) before the relaxation.
  • the reversibly immobilized solvent is in a vaporous aggregate state and changes to the liquid state due to physico-chemical changes - such as pH shift, change in mole fraction and temperature in its volatility and / or vapor pressure (comparable to steam as a solvent in non-immobilized form and water as a reversibly immobilizable solvent).
  • the advantage here is that the working fluid consists of two components, with one component simultaneously acting as an absorbent for the other component in the reversibly immobilized state.
  • Cyclic nitrogen compounds such as P ridine, for example, can be used as pH-dependent, reversibly immobilizable solvents.
  • the absorption of the first component can already take place, for example, in the low-pressure relaxation device.
  • an absorption device for example as a scrubber
  • the ionization of the reversibly immobilizable solvent can be carried out in the absorption device by electrolysis or by adding electrolytes, as a result of which the immobilized solvent forms from the working medium as an absorption medium.
  • the vapors of the working medium flowing through the absorption medium are also ionized, so that the vapor pressure is reduced so that the steam of the reversible immobilizable component is deposited in the working medium.
  • the azeotropic working medium is thus passed through the absorption medium, which is the first component absorbs (absorbed), the released absorption energy being transferred to the vaporous remaining second component.
  • the absorbent can then be fed back into the evaporator, where it is converted into a non-ionic state, for example by deionization, and is evaporated again with the condensed phase of the remaining second component as an azeotropic mixture.
  • the molar ratio of the working medium is expediently chosen such that the pressure in the expansion decreases more by reducing the number of molecules remaining in the gas phase than the pressure increases by the heating of the remaining gas, so that an otherwise resulting back pressure builds up after the expansion device is avoided.
  • the relaxed vaporous working medium is transformed with the aid of a heat pump to a temperature level above the boiling point of the working medium.
  • This energy return can be implemented using a one-component working fluid.
  • the heat pump is operated with a liquid-superimposed compressor system, for example a liquid ring pump or a screw compressor, and an operating liquid is used to operate the heat pump, the molar enthalpy of vaporization of which is several times, preferably more than four times, particularly preferably more than five times the evaporation enthalpy of the working fluid for the relaxation is.
  • an excess of the energy return is achieved over the drive energy of the heat pump.
  • a device can be used as the low-pressure expansion device in which neither the mass of the steam nor the pressure ratio, but only the pressure difference is relevant.
  • the low-pressure expansion device is designed as a Roots blower - as a Roots blower - or in the form of oval gear pumps System can be used at pressures from 10 to 0.5 bar.
  • the Roots blower can be designed with at least one injection opening through which the absorption agent and / or a protic solvent can be introduced into the Roots blower. Pressure-controlled injection is advantageously carried out to prevent liquid damage.
  • Another advantage is that in the relaxation devices mentioned, only the pressure difference and not the mass or the relaxation ratio is decisive for the efficiency. With already small pressure differences of less than two bar, full efficiency can be achieved.
  • the Roots blower expediently has a gas-tight seal between the scoop space and the gear space, in a further embodiment the Roots blower comprising multi-bladed rotors.
  • the Roots blower also has a shaft that can be connected to the generator, whereby the mechanical energy can be converted into electrical energy.
  • the use of a Roots blower as a low-pressure expansion device opens up the possibility, on the one hand, of supporting the process by injecting absorption agents, and, in particular when using waste heat with a temperature of less than approximately 100 ° C. for driving pumps or generators others due to the small pressure and temperature differences to raise the condensation energy of the working fluid, for example with a heat pump, to an elevated temperature level again.
  • a separating arrangement can be provided which separates the absorbed first component from the absorbent.
  • the separating arrangement can, for example, be designed as a membrane system which is connected downstream of the absorption device.
  • the desorbed liquid, first component is expediently fed back into the evaporator, in which it evaporates together with the second liquid component as an azeotropic working medium.
  • the absorbent can, for example, be guided to the relaxation device, in which it is injected into the relaxing working fluid.
  • the absorbent can be returned to a scrubber, in which the absorbent of the first component takes place from the working fluid. Oils from which the first component of the working fluid can be completely expelled, for example by a membrane system, can be used as the absorbent.
  • the separation of the first absorbed component in the absorption medium can alternatively be carried out by an evaporation process of the absorbed component.
  • the second component remaining after the absorption device, which according to the invention has absorbed heat due to the absorption of the first component despite relaxation is passed into a heat exchanger in the evaporator, in which the second component condenses.
  • the condensate is pumped back into the evaporator.
  • the first and second components are preferably evaporated as working medium in the evaporator. Liquids can be used as absorption media, from which the first component of the working fluid can be completely expelled again, for example by the membrane system or evaporation.
  • the working medium is preferably an azeotropic mixture of water and silicone.
  • the water is the first component to be absorbed and silicone is the second component.
  • the absorption agent is expediently a silicate. It is advantageous the absorbent is an alkaline molecularly disperse silicate solution, the water absorbed in the alkaline silicate solution being desorbed, for example by heating.
  • the thermal desorption is advantageously implemented in an expulsion unit separate from the evaporator.
  • the invention relates to a system with an evaporator, in which a working medium, which is formed by a mixture, preferably an azeotropic mixture, is evaporable, with a low-pressure expansion device, with an absorption device, which is in the low-pressure expansion device is integrated and / or the low-pressure relaxation device is connected downstream, with a refrigeration machine which is connected to the evaporator, wherein means for heat recovery are provided, with which a first component of the working medium can be absorbed by an absorption medium and heat energy to the absorption device remaining, vaporous second component is transferable, which is recyclable to the evaporator.
  • the heat energy (waste heat) generated in the refrigeration machine during the condensation of the refrigerant in the condenser or in the condenser is used for the evaporation process in the evaporator, in which the working fluid is evaporated and passed into the expansion device.
  • the thermal energy is converted into mechanical energy in the relaxation device.
  • the relaxation device can be connected to a generator, for example, so that the mechanical energy is converted into electrical energy. If the working medium is formed as an azeotropic or an almost azeotropic mixture, the system according to the invention is distinguished by a particularly good efficiency.
  • a large amount of mechanical energy is generated, in particular through the use of a Roots blower, which preferably follows the conversion into electrical energy for the partial coverage of the drive energy in the chiller process can be returned.
  • the remaining, second component contains a sufficiently large amount of thermal energy that can be used for the evaporation process of the liquid working fluid.
  • Figure 1 shows a system for converting thermal energy from a condenser of a refrigerator 8 into mechanical energy.
  • the system comprises a refrigeration machine 8 with a compressor 12.
  • the compressor 12 which can be designed, for example, as a piston or turbo compressor, draws in a vaporous refrigerant from an evaporator 13 and compresses the steam to a specific pressure.
  • the compressed steam is then condensed in the heat exchanger 15, which is connected to an evaporator 6 for a liquid working fluid, which is carried out in a further separate process.
  • the heat of condensation is used for the evaporation process of the working fluid.
  • the condensed, liquefied refrigerant is expanded in the throttle valve 14 and then returns to the evaporator 13, where heat is added to it.
  • the working fluid which in the present embodiment is an azeotropic mixture with a first and a second component, is evaporated by the thermal energy of the refrigerating machine 8 and expanded in the downstream low-pressure expansion device 2, mechanical energy being “obtained”.
  • Relaxation device 2 which in the following embodiments as Roots blower 2 is connected to a generator 1 and drives it, so that mechanical energy is converted into electrical energy.
  • This electrical energy can, for example, be used proportionally for the operation of the compressor 12 of the refrigeration machine 8.
  • an absorption device 3 Downstream of the relaxation is an absorption device 3, shown in FIG. 1 as a scrubber 3, in which the vaporous working medium is washed with an absorption medium.
  • the first component is absorbed by the absorption medium.
  • the working medium is an azeotropically evaporating mixture in which, depending on the composition, the evaporation temperatures can be lowered so that they are below the condensation temperatures of the individual components. If the first component is absorbed adiabatically from the vaporous working medium, the heat corresponding to the decrease in entropy is transferred to the remaining second component.
  • the vaporized, relaxed working medium heats up despite the relaxation, so that a certain part of the heat of the remaining working medium can be returned to the evaporator 6 (heat return), which significantly improves the efficiency of the system.
  • the vaporous second component is fed back into a heat exchanger 7 in the evaporator 6, where it evaporates further liquid working fluid by condensation.
  • the condensate is then pumped into the evaporation space of the evaporator 6 with the pump 9.
  • the absorbed first component is passed together with the absorbent through a pump 10 into a membrane system 5, which separates the first component from the absorbent.
  • the first component is then conveyed into the evaporator 6, and the absorption agent returns to the scrubber 3.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie, die in einer Kältemaschine (8) aus der Kondensation des Kältemittels anfällt, in mechanische Energie, bei dem in einem Verdampfer (6) durch die Wärmeenergie ein Arbeitsmittel verdampft wird, das in einer Entspannungsvorrichtung (2) entspannt wird und dabei die Wärmeenergie zumindest teilweise in mechanische Energie umgewandelt wird. Erfindungsgemäss ist vorgesehen, dass die Entspannung in einer Niederdruck-Entspannungsvorrichtung (2) erfolgt und die im entspannten dampfförmigen Arbeitsmittel enthaltende Energie in den Verdampfer (6) rückführbar ist, die zur Verdampfung zusätzlichen Arbeitsmittels nutzbar ist.

Description

VERFAHREN UND ANLAGE ZUR UMWANDLUNG VON WÄRMEENERGIE AUS KÄLTEMASCHINEN
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie, die in einer Kältemaschine aus der Kondensation eines Kältemittels anfallt, in mechanische Energie, bei dem in einem Verdampfer durch die Wärmeenergie ein Arbeitsmittel verdampft wird, das in einer Entspannungsvorrichtung entspannt wird und dabei die Wärmeenergie zumindest teilweise in mechanische Energie umgewandelt wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Anlage zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie.
SAM:hv Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Anlagen sowie Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie bekannt. Es sind beispielsweise Wärmekraftanlagen bekannt, in denen in einem Kessel ein Arbeitsmittel bei einem hohen Druck isobar bis zum Siedepunkt erwärmt wird, verdampft und anschließend in einem Überhitzer noch überhitzt wird. Der Dampf wird anschließend in einer Turbine unter Verrichtung von Arbeit adiabat entspannt und in einem Kondensator unter Wärmeabgabe verflüssigt. Die Flüssigkeit wird von der Speisewasserpumpe auf einen Druck gebracht und wieder in den Kessel gefördert. Einer der Nachteile dieser Vorrichtungen ist, dass bei den Entspannungsprozessen in Turbinen hohe Drücke von über 15 bar bis 200 bar erzeugt werden müssen, da bei Turbinen das realisierte Druckverhältnis der Entspannung für den erreichten Wirkungsgrad entscheidend ist.
Des Weiteren sind Kältemaschinen bekannt, bei denen Kondensationsäbwärme anfällt, die nachteiligerweise als Verlustwärme abgeführt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Anlage zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie zu schaffen, die die genannten Nachteile vermeiden, insbesondere einen verbesserten Wirkungsgrad aufweisen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 vorgeschlagen. In den abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Weiterbildungen ausgeführt.
Dazu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Entspannung in einer Niederdruck- Entspannungsvorrichtung erfolgt und die im entspannten dampfförmigen Arbeitsmittel enthaltende Energie in den Verdampfer rückführbar ist, die zur Verdampfung zusätzlichen Arbeitsmittels nutzbar ist. Vorzugsweise weist das Verfahren eine erste Komponente des Arbeitsmittels auf, das durch ein Gemisch gebildet ist, in und/oder nach der Niederdruck- Entspannungsvorrichtung mittels eines Absoφtionsmittels absorbiert wird, wobei Wärme auf die verbleibende, dampfförmige zweite Komponente übergeht, die rückführbar ist. In einer Ausfuhrungsform der Erfindung ist das Gemisch bei einem bestimmten Mischungsverhältnis der Komponenten ein Azeotrop mit Siedepunktminimum. Bei azeotrop verdampfenden Gemischen mit Siedepunktminimum lassen sich je nach Typ die Verdampfungstemperaturen absenken, so dass diese unter den Kondensationstemperaturen der einzelnen Komponenten liegen. Wird aus dem Dampfgemisch adiabat die erste Komponente absorbiert, so geht die entsprechende Wärme auf die dampfförmig verbleibende zweite Komponente über. Der Entzug der Kondensationswärme kann dadurch auf einem erhöhten Temperaturniveau erfolgen. Insbesondere kann bei geeignet ausgewählten Azeotropmischungen die zweite dampfförmige Komponente im Verdampfer des Arbeitsmittels selbst unter Abgabe der Kondensationswärme kondensiert werden, so dass der entsprechende Anteil der Wärmeenergie in den Prozess zurückgeführt werden kann. Sofern die zu absorbierende erste Komponente Wasser ist, kann als Absoφtionsmittel beispielsweise eine alkalische Silikatlösung eingesetzt werden.
Das Arbeitsmittel, beispielsweise ein azeotropes Gemisch aus Wasser und Perchloräthylen, wird durch die in der Kältemaschine anfallende Kondensationswärme verdampft. Die Absoφtion, bei der erfindungsgemäß die anfallende Absoφtionswärme auf die zweite dampfförmig verbleibende Komponente übertragen wird, wodurch sich diese Komponente auf ein Temperaturniveau oberhalb der Siedetemperatur des azeotropen Gemisches erwärmt, kann in und/oder nach der Entspannungsvorrichtung erfolgen. Einer der wesentlichen Vorteile ist hierbei, dass durch die Entspannung des azeotropen Gemisches mechanische Energie „gewonnen" werden kann und gleichzeitig das entspannte Arbeitsmittel, das im Entspannungsprozess bereits „Arbeit" geleistet hat, durch die Trennung (Absoφtion) der ersten von der zweiten Komponente sich aufgrund der freiwerdenden Absoφtionswärme erwärmt. Hierbei kann das verbleibende Arbeitsmittel nach der Entspannung zurückgeführt werden, um beispielsweise in einem Wärmetauscher seine Wärme abzugeben. Zum Beispiel ist es in einer Ausgestaltung der Erfindung möglich, dass das verbleibende Arbeitsmittel (nur zweite Komponente) in einen Wärmetauscher (Verdampfer) geleitet wird, in dem das verbleibende Arbeitsmittel kondensiert und aufgrund der entstehenden Kondensationswärme das flüssige Arbeitsmittel mit der ersten und der zweiten Komponente verdampft und anschließend wieder in die Entspannungsvorrichtung geführt wird. Hierdurch kann erfindungsgemäß der Wirkungsgrad des Verfahrens zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie wesentlich verbessert werden.
Das Arbeitsmittel ist vorzugsweise durch ein azeotropes Gemisch mit Siedepunktminimum oder nahezu azeotropes Gemisch gebildet. Im folgenden wird die Erfindung mit einem azeotropen Gemisch beschrieben, selbstverständüch kann die Erfindung ebenfalls auf nahezu azeotrope Gemische beziehungsweise auf nicht azeotrope Gemische bezogen werden. Hohe Wirkungsgrade lassen sich besonders mit einem azeotropen oder einem nahezu azeotropen Gemisch erzielen. Bei einem Einsatz eines azeotropen Gemisches können je nach Typ die Verdampfungstemperaturen abgesenkt werden, so dass diese unter den Verdampfungstemperaturen der einzelnen Komponenten liegen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Arbeitsmittel eine geringe volumenspezifische beziehungsweise geringe molare Verdampfungsenthalpie auf. Damit wird erreicht, dass mit einer vorgegebenen Menge an Wärmeenergie eine große Menge an Treibdampf erzeugt wird.
Vorzugsweise ist das Arbeitsmittel ein Lösemittelgemisch, das organische und/oder anorganische Lösemittelkomponenten aufweist. Beispiele hierf r sind etwa Gemische aus Wasser und ausgewählten Silikonen. Vorteilhafterweise kann mindestens eine Komponente ein protisches Lösemittel sein.
Bei einer alternativen Ausführungsform ist das Absoφtionsmittel ein reversibles immobilisierbares Lösemittel, das in dem nicht-immobilisierten Aggregatzustand die erste Komponente des Arbeitsmittels ist. Das reversible Lösemittel im siedenden Arbeitsmittel kann sich vorteilhafterweise durch physikalisch-chemische Veränderungen so verändern, in dem es durch Ionisieren oder Komplexbildung aus der Dampfphase von dem nicht- immobilisierten Zustand in den reversibel immobilisierten Zustand verändert werden kann und in der nicht-immobilisierten Form als Λbsoφtionsmittel für das Arbeitsmittel wirkt. Somit enthält das dampfförmige Arbeitsmittel vor der Entspannung bereits das Absoφtionsmittel (im nicht-immobilisierten Zustand). Das reversibel immobilisierte Lösemittel ist in einem dampfförmigen Aggregalzustand und geht durch physikalischchemische Veränderungen - wie zum Beispiel pH- Verschiebung, Veränderung des Molenbruches und der Temperatur in seiner Flüchtigkeit und/oder in seinem Dampfdruck - in den flüssigen Zustand über (vergleichbar mit Dampf als Lösemittel in nicht-immobilisierter Form und Wasser als reversibel immobilisierbares Lösemittel). Der Vorteil ist hierbei, dass das Arbeitsmittel aus zwei Komponenten besteht, wobei gleichzeitig die eine Komponente im reversiblen immobilisierten Zustand als Absoφtionsmittel für die andere Komponente wirkt. Als pH-abhängige reversibel immobilisierbare Lösemittel können beispielsweise zyklische Stickstoffverbindungen - wie P ridine - eingesetzt werden.
Die Absoφtion der ersten Komponente kann beispielsweise bereits in der Niederdruck- Entspannungsvorrichtung erfolgen. Des Weiteren ist es selbstverständlich möglich, dass eine Absoφtionsvorrichtung, zum Beispiel als Wäscher ausgeführt, der der Niederdruck- Entspannungsvorrichtung nachgeschaltet ist. In einer möglichen Ausgestaltung kann in der Absoφtionsvorrichtung die Ionisierung des reversibel immobilisierbaren Lösemittels durch eine Elektrolyse oder durch ein Zusetzen von Elektrolyten erfolgen, wodurch das Lösemittel in seiner immobilisierten Form als Absoφtionsmittel aus dem Arbeitsmittel entsteht. Gleichzeitig werden die das Absoφtionsmittel durchströmenden Dämpfe des Arbeitsmittels ebenfalls ionisiert, so dass der Dampfdruck so abgesenkt wird, dass sich der Dampf der reversiblen immobilisierbaren Komponente im Arbeitsmittel niederschlägt. Das azeotrope Arbeitsmittel wird somit durch das Absoφtionsmittel geführt, das die erste Komponente aufnimmt (absorbiert), wobei die frei werdende Absoφtionsenergie auf die dampfförmige verbleibende zweite Komponente übergeht. Das Absoφtionsmittel kann anschließend wieder zurück in den Verdampfer geleitet werden, wo es beispielsweise durch Deionisation in einen nicht-ionischen Zustand überführt wird und mit der kondensierten Phase der verbliebenden zweiten Komponente als azeotropes Gemisch wieder verdampft wird.
Zweckmäßigerweise ist das Molverhältnis des Arbeitsmittels derart gewählt, dass der Druck in der Entspannung durch die Reduzierung der Anzahl der in der Gasphase verbleibenden Moleküle mehr abnimmt, als der Druck durch die Erwärmung des verbleibenden Gases zunimmt, damit der Aufbau eines sonst resultierenden Gegendruckes nach der Entspannungsvorrichtung vermieden wird.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausfuhrungsform wird das entspannte dampfförmige Arbeitsmittel mit Hilfe einer Wärmepumpe auf ein Temperaturniveau oberhalb der Siedetemperatur des Arbeitsmittels transformiert. Diese Energierückführung kann hierbei über ein einkomponentiges Arbeitsmittel realisiert werden. Dazu wird die Wärmepumpe mit einem flüssigkeitsüberlagerten Verdichtersystem, beispielsweise einer Flüssigkeitsringpumpe oder einem Schraubenverdichter, betrieben und für den Betrieb der Wärmepumpe eine Betriebsflüssigkeit verwendet, deren molare Verdampfungsenthalpie ein Mehrfaches, vorzugsweise mehr als das Vierfache, besonders bevorzugt mehr als das Fünffache der Verdampfungsenthalpie des Arbeitsmittels für die Entspannung beträgt. Erfindungsgemäß wird dadurch ein Überschuss der Energierückführung über die Antriebsenergie der Wärmepumpe erreicht.
Als Niederdruck-Entspannungsvorrichtung kann eine Vorrichtung verwendet werden, bei der weder die Masse des Dampfes noch das Druckverhältnis, sondern allein die Druckdifferenz relevant ist. In einer besonders bevorzugten Ausfuhrungsform ist die Niederdruck- Entspannungsvorrichtung als Wälzkolbengebläse - als Rootsgebläse - oder in Form von Ovalradpumpen ausgeführ Vorteilhaft ist, dass das Wälzkolbengebläse als Entspannungsvorrichtungen (Entspannungsmotoren) schon mit einer Druckdifferenz von 500 mbar mit einem vollen Wirkungsgrad arbeiten können und in einem geschlossenen System bei Drücken von 10 bis 0,5 bar eingesetzt werden kann. Erfindungsgemäß kann das Wälzkolbengebläse mit mindestens einer Einspritzöflhung ausgeführt sein, durch die das Absoφtionsmittel und/oder ein protisches Lösemittel in das Wälzkolbengebläse einbringbar ist. Vorteilhafterweise erfolgt eine druckgesteuerte Einspritzung zur Verhinderung von Flüssigkeitsschäden. Eine weiterer Vorteil ist, dass bei den genannten Entspannungsvorrichtungen nur die Druckdifferenz und nicht die Masse oder das Entspannungsverhältnis für den Wirkungsgrad maßgebend ist. Bei bereits kleinen Druckdifferenzen von weniger als zwei bar kann ein voller Wirkungsgrad erreicht werden.
Zweckmäßigerweise weist das Wälzkolbengebläse eine gasdichte Dichtung zwischen Schöpfraum und Getrieberaum auf, wobei in einer weiteren Ausfuhrungsform das Wälzkolbengebläse mehrflügelige Rotoren umfasst.
Das Wälzkolbengebläse weist ferner eine Welle auf, die mit dem Generator verbunden werden kann, wodurch die mechanische in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Die Verwendung von einem Wälzkolbengebläse als Niederdruckentspannungsvorrichtung eröffnet, insbesondere bei der Nutzung von Abwärme mit einer Temperatur von weniger als ungefähr 100°C, für den Antrieb von beispielsweise Pumpen oder Generatoren die Möglichkeit, zum einen den Prozess durch Einspritzung von Absoφtionsmitteln zu unterstützen, und zum anderen wegen der geringen Druck- und Temperaturdifferenzen die Kondensationsenergie des Arbeitsmittels, beispielsweise mit einer Wärmepumpe, wieder auf ein erhöhtes Temperaturniveau zu heben. Bei einer weiteren Ausfuhrung der Erfindung kann eine Trennanordnung vorgesehen sein, die die absorbierte erste Komponente vom Absoφtionsmittel trennt. Die Trennanordnung kann beispielsweise als Membransystem ausgebildet sein, das der Absoφtionsvorrichtung nachgeschaltet ist. Die desorbierte flüssige, erste Komponente wird zweckmäßigerweise zurück in den Verdampfer geleitet, in dem sie mit der zweiten flüssigen Komponente zusammen als azeotropes Arbeitsmittel verdampft. Das Absoφtionsmittel kann zum Beispiel zur Entspannungsvorrichtung geführt werden, in der es in das sich entspannende Arbeitsmittel eingespritzt wird. In einer weiteren Alternative kann das Λbsoφtionsmittel in einen Wäscher zurückgeführt werden, in dem die Absoφtion der ersten Komponente aus dem Arbeitsmittel erfolgt. Als Absoφtionsmittel können Öle verwendet werden, aus denen sich die erste Komponente des Arbeitsmittels beispielsweise durch ein Membransystem vollständig wieder austreiben lässt.
Die Trennung der ersten absorbierten Komponente im Absoφtionsmittel kann alternativ durch einen Verdampfungsvorgang der absorbierten Komponente durchgeführt werden.
Vorzugsweise wird die nach der Absoφtionsvorrichtung verbleibende zweite Komponente, die erfindungsgemäß trotz Entspannung Wärme aufgrund der Absoφtion der ersten Komponente aufgenommen hat, in einen Wärmetauscher im Verdampfer geleitet, in dem die zweite Komponente kondensiert. Das Kondensat wird mit einer Pumpe zurück in den Verdampfer gefördert. Vorzugsweise werden in dem Verdampfer die erste und die zweite Komponente als Arbeitsmittel verdampft. Als Absoφtionsmittel können Flüssigkeiten verwendet werden, aus denen sich die erste Komponente des Arbeitsmittels beispielsweise durch das Membransystem oder Verdampfung vollständig wieder austreiben lässt.
Vorzugsweise ist das Arbeitsmittel ein azeotropes Gemisch aus Wasser und Silikon. Das Wasser ist hierbei die erste, zu absorbierende Komponente und Silikon die zweite Komponente. Zweckmäßigerweise ist das Absoφtionsmittel ein Silikat. Vorteilhafterweise ist das Absoφtionsmittel eine alkalische molekulardisperse Silikatlösung, wobei das in der alkalischen Silikatlösung absorbierte Wasser beispielsweise durch Erhitzen desorbiert wird. Die thermische Desoφtion wird vorteilhafterweise in einem vom Verdampfer getrennten Austreiberaggregat realisiert.
Die Aufgabe der Erfindung wird ebenfalls durch eine Anlage zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie mit den Merkmalen des Anspruches 19 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Weiterbildung ausgeführt.
Erfindungsgemäß bezieht sich die Erfindung auf eine Anlage mit einem Verdampfer, in dem ein Arbeitsmittel, das durch ein Gemisch, vorzugsweise ein azeotropes Gemisch, gebildet ist, verdampf bar ist, mit einer Niederdruck-Entspannungsvorrichtung, mit einer Absoφtionsvorrichtung, die in der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung integriert ist und/oder der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung nachgeschaltet ist, mit einer Kältemaschine, die mit dem Verdampfer verbunden ist, wobei Mittel zur Wärme ckführung vorgesehen sind, mit denen in der Absoφtionsvorrichtung eine erste Komponente des Arbeitsmittels durch ein Absoφtionsmittel absorbierbar ist und Wärmenergie auf die verbleibende, dampfförmige zweite Komponente übertragbar ist, die zum Verdampfer rückfuhrbar ist. Die in der Kältemaschine bei der Kondensation des Kältemittels im Kondensator oder im Verflüssiger anfallende Wärmeenergie (Abwärme) wird für den Verdampfungsprozess im Verdampfer genutzt, in dem das Arbeitsmittel verdampft wird und in die Entspannungsvorrichtung geleitet wird. In der Entspannungsvorrichtung wird die Wärmeenergie in mechanische Energie umgewandelt. Die Entspannungsvorrichtung kann zum Beispiel mit einem Generator verbunden sein, so dass die mechanischer Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Wird das Arbeitsmittel als azeotropes oder ein nahezu azeotropes Gemisch gebildet, so zeichnet sich die erfindungsgemäße Anlage durch einen besonders guten Wirkungsgrad aus. Zum einen fällt ein großer Betrag an mechanischer Energie, insbesondere durch den Einsatz eines Wälzkolbengebläses an, die vorzugsweise nach der Umwandlung in elektrische Energie zur anteiligen Deckung der Antriebsenergie in den Kältemaschinenprozess zurückgeführt werden kann. Zum anderen enthält die verbleibende, zweite Komponente eine ausreichend großen Betrag an Wärmeenergie, die für den Verdampfungsprozess des flüssigen Arbeitsmittels genutzt werden kann.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Einzelnen beschrieben ist. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
Figur 1 zeigt eine Anlage zur Umwandlung von Wärmeenergie aus einem Kondensator einer Kältemaschine 8 in mechanische Energie. Die Anlage umfasst eine Kältemaschine 8 mit einem Verdichter 12. Der Verdichter 12, der beispielsweise als Kolben- oder als Turboverdichter ausgebildet sein kann, saugt ein dampfförmiges Kältemittel aus einem Verdampfer 13 an und verdichtet den Dampf auf einen bestimmten Druck. Der verdichtete Dampf wird anschließend in dem Wärmetauscher 15 kondensiert, der mit einem Verdampfer 6 für ein flüssiges Arbeitsmittel verbunden ist, das in einem weiteren getrennten Prozess geführt wird. Bei der Kondensation des Dampfes im Kältemaschinenprozess wird die anfällende Kondensationswärme für den Verdampfungsprozess des Arbeitsmittels genutzt. Das kondensierte, verflüssigte Kältemittel wird im Drosselventil 14 entspannt und gelangt dann wieder in den Verdampfer 13, wo ihm Wärme zugefügt wird.
Das Arbeitsmittel, das in der vorliegenden Ausfuhrungsform ein azeotropes Gemisch mit einer ersten und einer zweiten Komponente ist, wird durch die anfallende Wärmeenergie der Kältemaschine 8 verdampft und in der nachgeschalteten Niederdruck- Entspannungsvorrichtung 2 entspannt, wobei mechanische Energie „gewonnen" wird. Die Niederdruck-Entspannungsvorrichtung 2, die im folgenden Ausführungsbeispielen als Wälzkolbengebläse 2 ausgeführt ist, ist mit einem Generator 1 verbunden und treibt diesen an, so dass mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Diese elektrische Energie kann beispielsweise anteilig für den Betrieb des Verdichters 12 der Kältemaschine 8 genutzt werden.
Der Entspannung nachgeschaltet ist eine Absoφtionsvorrichtung 3, in Figur 1 als Wäscher 3 ausgebildet, in dem das dampfförmige Arbeitsmittel mit einem Λbsoφtionsmittel gewaschen wird Hierbei wird die erste Komponente durch das Absoφtionsmittel absorbiert. Besonders vorteilhaft ist, dass das Arbeitsmittel ein azeotrop verdampfendes Gemisch ist, bei dem sich je nach Zusammensetzung die Verdampfungstemperaturen absenken lassen, so dass diese unter den Kondensationstemperaturen der einzelnen Komponenten liegen. Wird die erste Komponente aus dem dampfförmigen Arbeitsmittel adiabat absorbiert, so geht die der Entropieabnahme entsprechende Wärme auf die verbleibende zweite Komponente über. Somit erwärmt sich das dampfförmig verbleibende, entspannte Arbeitsmittel trotz der Entspannung, so dass ein bestimmter Teil der Wärme des verbleibenden Arbeitsmittel in den Verdampfer 6 zumckgeführt werden kann (Wärmeiückfuhrung), wodurch der Wirkungsgrad der Anlage wesentlich verbessert wird. Die dampfförmige zweite Komponente wird zurück in einen Wärmetauscher 7 im Verdampfer 6 geleitet, wo sie durch Kondensation weiteres flüssiges Arbeitsmittel verdampft. Das Kondensat wird anschließend mit der Pumpe 9 in den Verdampfungsraum des Verdampfers 6 gepumpt.
Die absorbierte erste Komponente wird gemeinsam mit dem Absoφtionsmittel durch eine Pumpe 10 in ein Membransystem 5 geleitet, das die erste Komponente vom Absoφtionsmittel trennt. Die erste Komponente wird anschließend in den Verdampfer 6 gefördert, das Absoφtionsmittel gelangt wieder in den Wäscher 3.
Besonders vorteilhaft ist, dass neben einer Umwandlung der anfallenden Wärmeenergie aus der Kältemaschine 8 in mechanische Energie eine Energieriickfuhrung durch eine absoφtive Trennung des dampfförmigen Arbeitsmittels im Wäscher 3 realisierbar ist, wobei die Absoφtionsenergie die dampfförmig verbleibende, zweite Komponente so weit erhitzt, dass sie erneut zur Verdampfung des Arbeitsmittels genutzt werden kann.
Bezugszeichenliste
Generator Entspannungsvorrichtung, Wälzkolbengebläse Λbsoφtionsvorrichtung, Wäscher Trennanordnung, Membransystem Verdampfer Wärmetauscher Kältemaschine Pumpe Pumpe Verdichter Verdampfer (Kältemaschine) Drosselventil Wärmetauscher, Verflüssiger (Kältemaschine)

Claims

A n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie, die in einer Kältemaschine (8) aus der Kondensation eines Kältemittels anfällt, in mechanische Energie, bei dem in einem Verdampfer (6) durch die Wärmeenergie ein Arbeitsmittel verdampft wird, das in einer Entspannungsvorrichtung (2) entspannt wird und dabei die Wärmeenergie zumindest teilweise in mechanische Energie umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannung in einer Niederdruck-Entspannungsvorrichtung (2) erfolgt und die im entspannten dampfförmigen Arbeitsmittel enthaltende Energie in den Verdampfer (6) rückfuhrbar ist, die zur Verdampfung zusätzlichen Arbeitsmittels nutzbar ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Komponente des Arbeitsmittels, das durch ein Gemisch gebildet ist, in und/oder nach der Niederdruck- Entspannungsvorrichtung (2) mittels eines Absoφtionsmittels absorbiert wird, wobei Wärme auf die verbleibende, dampfförmig zweite Komponente übergeht, die rückfuhrbar ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch bei einem bestimmten Mischungsverhältnis der Komponenten ein Azeotrop mit Siedepunktniinimum bildet.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel als azeotropes Gemisch oder als nahezu azeotropes Gemisch vorliegt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die bei der Absoφtion übergangene Wärme die dampfförmig verbleibende zweite Komponente auf eine Temperatur oberhalb der Siedetemperatur des Gemisches erwärmt wird, wobei die zweite Komponente in einem Wärmetauscher (7) kondensiert wird, wodurch die Verdampfung des Arbeitsmittels erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel eine geringe volumenspezifische Verdampfungsenthalpie aufweist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel ein Lösemittelgemisch ist, das organische und/oder anorganische Lösemittelkomponenten aufweist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Komponente ein protisches Lösemittel ist.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Absoφtionsmittel ein reversibel immobilisierbares Lösemittel ist, das in dem nicht- immobilisierten Aggregatzustand die erste Komponente des Arbeitsmittels ist.
10. Verfahren nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruck-Entspannungsvorrichtung (2) ein Wälzkolbengebläse (2) ist.
11. Verfahren nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung (2) eine Absoφtionsvorrichtung (3) nachgeschaltet ist, in der die erste Komponente absorbiert wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Absoφtionsvorrichtung (3) als Wäscher (3) ausgebildet ist.
13. Verfahren nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trennanordnung (5) die absorbierte erste Komponente vom Absoφtionsmittel trennt.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennanordnung (5) als Membransystem (5) ausgebildet ist
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pumpe (9) die kondensierte zweite Komponente in den Verdampfer (6) fördert.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pumpe (10) das Absoφtionsmittel in die Trenneinrichtung (5) und anschließend zurück zum Wäscher (3) fördert.
17. Verfahren nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel ein azeotropes Gemisch aus Perchloräthylen und Wasser oder aus Silikon und Wasser ist.
18. Verfahren nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Absoφtionsmittel eine Silikatlösung ist.
19. Anlage zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie, dadurch gekennzeichnet, dass sie folgende Komponenten umfasst: a) einen Verdampfer (6), in dem ein Arbeitsmittel, das durch ein Gemisch gebildet ist, verdampfbar ist, b) eine Niederdruck-Entspannungsvorrichtung (2), c) eine Absoφtionsvorrichtung (3), die in der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung (2) integriert ist und/oder der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung (2) nachgeschaltet ist, d) eine Kältemaschine (8), die mit dem Verdampfer (6) verbunden ist, e) Mittel zur Wärmerückführung, mit denen in der Absoφtionsvorrichtung (3) eine erste Komponente des Arbeitsmittels durch ein Absoφtionsmittel absorbierbar ist und Wärmeenergie auf die verbleibende, dampfförmige zweite Komponente übertragbar ist, die zum Verdampfer (6) rückfuhrbar ist.
20. Anlage nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruck- Entspannungsvorrichtung (2) ein Wälzkolbengebläse (2) ist.
21. Anlage nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trennanordnung (5) die absorbierte erste Komponente vom Absoφtionsmittel trennt.
22. Anlage nach einem der Ansprüche 19 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruck-Entspannungsvorrichtung (2) mit einem Generator (1) verbunden ist.
23. Anlage nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Kältemaschine (8) einen Verdampfer (13), einen Verdichter (12), einen Wärmetauscher (15) und eine Drosseleinrichtung (14) aufweist, wobei der Verdampfer (6) den Wärmetauscher (15) umfasst.
24. Anlage nach einem der Ansprüche 19 bis 23, die nach einem der vorhergehenden Verfahren 1 bis 18 betreibbar ist.
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