WO2010029020A1 - Kraftmaschine und verfahren zum betreiben einer kraftmaschine - Google Patents

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WO2010029020A1
WO2010029020A1 PCT/EP2009/061463 EP2009061463W WO2010029020A1 WO 2010029020 A1 WO2010029020 A1 WO 2010029020A1 EP 2009061463 W EP2009061463 W EP 2009061463W WO 2010029020 A1 WO2010029020 A1 WO 2010029020A1
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Klaus Ramming
Michael Deichsel
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Ago Ag Energie + Anlagen
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating an engine in which increases the pressure of a working fluid in the liquid state, the working fluid then heated, relaxed in a next step under work and thereby evaporated, then cooled and then condensed again in a condenser. Furthermore, the invention relates to an engine with a pressure reducing means for a working medium, a condenser for condensing the expanded working medium, a pump for increasing the pressure of the cooled liquid working medium, a heater for raising the temperature of the working medium at least up to the evaporation temperature, and connecting the aforementioned components Lines, so that the working fluid in the circuit is feasible.
  • the invention has for its object to increase the efficiency of an engine and a method for operating an engine.
  • the underlying object is achieved in that the refrigerant is released after heating in a remplisstechniksskolbenentspanner.
  • the invention further ausgestaltend is provided that the heat transfer medium is relaxed in a liquid piston tensioner with two working spaces, the common working fluid is displaced alternately from the one working space in the other working space.
  • the hydraulic fluid between the working spaces preferably drives a hydraulic motor.
  • This hydraulic motor can, for example, drive a generator or in turn a hydraulic pump.
  • heat is supplied to the working medium during the expansion in such a way that the expansion takes place isothermally, whereby the heat delivered by a heat source is supplied to the working medium by means of a separate heat transfer medium and the working medium is cooled in the internal heat exchanger after expansion in the liquid piston decompressor and then returned to the condenser.
  • the per-stage effective pressure differential in the relaxation can be reduced and thus the engine process according to the invention further optimized in terms of efficiency, when the working fluid is expanded in two stages using two series-connected liquid piston tensioner, being operated with the hydraulic fluid of the two diesstechniksskolbenentspanner separate hydraulic circuits
  • the operated with the respective hydraulic fluid engines are coupled together, for example via a common shaft.
  • one liquid piston tensioner with two working chambers should also be used here per stage, so that a total of four work spaces are used alternately.
  • the efficiency of the cycle can be increased, since otherwise unused energy is used profitably.
  • an active connection in particular a mechanical coupling, for example via a shaft between the engine during expansion of the refrigerant and a high-pressure pump, with the working fluid in the liquid state back to high pressure is pumped.
  • the object underlying the invention is achieved in that the pressure reduction device is a liquid piston tensioner.
  • an implementation of the engine process according to the invention already described above takes place in a suitable machine for its implementation. If, in addition to an isothermal relaxation, the efficiency of the engine is to be further increased, an internal heat exchanger can be provided, by means of which heat from the working pressure medium leaving the pressure reducing device is transferable to the working fluid leaving the pump.
  • FIG. Fig. 3 is a schematic system representation of an engine with liquid piston tensioner and inner heat exchanger and
  • FIG. 3 schematically shows the system diagram of an engine 50. This consists in the cycle of the working medium (working fluid is for example water) from the following components: A high-pressure pump 51 for the liquid water promotes this in a high-pressure accumulator 52, from which the water is preheated in an internal heat exchanger 53, then in a heater 54th to be heated further. Under high pressure water is using a working medium (working fluid is for example water) from the following components: A high-pressure pump 51 for the liquid water promotes this in a high-pressure accumulator 52, from which the water is preheated in an internal heat exchanger 53, then in a heater 54th to be heated further. Under high pressure water is using a
  • the process of relaxation isothermal by supplying heat to the water during the relaxation process. Subsequently, the relaxed, but still hot water vapor enters the inner heat exchanger 53 to deliver its heat to the high-pressure water. After this heat transfer, the vapor is cooled in a condenser 56 and at least partially condensed before the water enters a low-pressure accumulator 57, from which it is in turn sucked by the high-pressure pump 51, whereby the circuit closes.
  • the remplisstechniksskolbenentspanner 55 has two separate working spaces (cylinder) 58, 59, which are formed as a heat exchanger, that is, in each case with inner tube bundles 60, 61 and an outer double jacket 62, 63 are provided.
  • a heat transfer medium namely thermal oil, in a separate circuit.
  • the heat required in the isothermal relaxation is generated by a heat source 60 in the form of a burner with a boiler and a circulation pump 61 the respective
  • a third fluidic circuit is formed by a hydraulic fluid, which is located in each case in the lower portion of the working chambers 58, 59 and there a
  • Liquid level S forms, which acts as a liquid piston. Starting from a state in which, for example, the entire interior of the working chamber 58 is filled with hydraulic fluid, this is successively displaced after opening the motor valve 63 by the entry of the heated and high pressure water down, with the thermal oil circulation continuously heat to the forming
  • a four-way hydraulic valve 67 is connected so that the hydraulic fluid is passed through a line 68 through a heat exchanger 69 and a line 70 to a hydraulic motor 71, where the hydraulic fluid under pressure reduction work to lower pressure through the line 71 and turn the heat exchanger 69 and the lines 73 and 74 in the other
  • the hydraulic motor 71 is coupled to a generator 74 for generating electric power.
  • the heat exchanger 69 serves to transmit the increased temperature of the hydraulic fluid, which comes from the working chamber 58, 59, in which the steam is being expanded, to the hydraulic fluid 71 flowing back from the hydraulic motor 71 to the heat losses in the hydraulic motor 71 to keep low and the
  • the heated and high-pressure water is isothermally expanded starting from the point I lying on the boiling line 75 until point II is reached. From there, the heat is removed from the still very hot steam in the internal heat exchanger 53 (FIG. 9) until point III on the dew line 76 is reached.
  • the water vapor now condenses completely in the condenser 56; the water present in the liquid state is represented by point IV on the boiling line 75.
  • the pressure increase now taking place by the high-pressure pump 51 is virtually invisible in the T-s diagram, since no appreciable change in temperature or entropy occurs, which is why points IV and V virtually coincide at the present scale.
  • the water is now isobarically heated in the inner heat exchanger 53 along the boiling line until point VI is reached. From here, the heater 54 provides for the further heating of the water until the cycle closes again in point I on the boiling line 75.
  • the area under the line II-III corresponds to the area under the line V-VI, provided that no losses occur in the internal heat exchanger.

Abstract

Offenbart ist zunächst ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftmaschine (50) bei dem der Druck eines im flüssigen Zustand befindlichen Arbeitsmediums erhöht, das Arbeitsmedium anschließend erhitzt wird und in einem nächsten Schritt unter Arbeitsleistung entspannt und dabei verdampft wird und anschließend in einem Kondensator (56) wieder kondensiert wird. Weiterhin ist offenbart eine Kraftmaschine (50) mit einer Druckerniedrigungseinrichtung für ein Arbeitsmedium, einem Kondensator (56) zur Kondensation der Temperatur des entspannten Arbeitsmediums, einer Pumpe (51) zur Erhöhung des Drucks des gekühlten Arbeitsmediums, einem Erhitzer (54) zur Anhebung der Temperatur des Arbeitsmediums mindestens bis zur Verdampfungstemperatur, sowie die vorgenannten Komponenten verbindenden Leitungen, so dass das Arbeitsmedium im Kreislauf führbar ist. Vorgeschlagen wird, dass das Arbeitsmedium nach der Erhitzung in einem Flüssigkeitskolbenentspanner (55) als Druckerniedrigungseinrichtung isotherm entspannt wird.

Description

Kraftmaschine und Verfahren zum Betreiben einer Kraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftmaschine bei dem der Druck eines im flüssigen Zustand befindlichen Arbeitsmediums erhöht, das Arbeitsmedium anschließend erhitzt, in einem nächsten Schritt unter Arbeitsleistung entspannt und dabei verdampft, danach abgekühlt und anschließend in einem Kondensator wieder kondensiert wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Kraftmaschine mit einer Druckerniedrigungseinrichtung für ein Arbeitsmedium, einem Kondensator zur Kondensation des entspannten Arbeitsmediums, einer Pumpe zur Erhöhung des Drucks des gekühlten flüssigen Arbeitsmediums, einem Erhitzer zur Anhebung der Temperatur des Arbeitsmediums mindestens bis zur Verdampfungstemperatur, sowie die vorgenannten Komponenten verbindenden Leitungen, so dass das Arbeitsmedium im Kreislauf führbar ist.
Derartige Kraftmaschinen zählen bereits seit geraumer Zeit zum allgemein bekannten Stand der Technik.
Aufgabe
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Effizienz einer Kraftmaschine und eines Verfahrens zum Betreiben einer Kraftmaschine zu erhöhen.
Lösung
Ausgehend von dem bekannten Verfahren wird die zugrundeliegende Aufgabe dadurch gelöst, dass das Kältemittel nach der Erhitzung in einem Flüssigkeitskolbenentspanner entspannt wird.
Während das Prinzip des Flüssigkeitskolbens bei Verdichtungsprozessen schon seit über acht Jahrzehnten bekannt ist, wurde dieses Prinzip bislang bei der Expansion von Wärmeträgermedien noch nicht angewendet. Es zeigt aber auch hier beachtliche Vorteile, da in Umkehrung der Verhältnisse beim Verdichtungsvorgang bei der Entspannung des Wärmeträgermediums kontinuierlich Wärme zugeführt werden sollte, um den Expansionsprozess isotherm durchführen zu können. Im Vergleich mit einem konventionellen polytropen Entspannungsprozess bedarf es somit bei der vorzugsweise isothermen Entspannung in einem Flüssigkeitskolbenentspanner der Zufuhr von Wärme, wobei hierdurch jedoch der Wirkungsgrad des Gesamtprozesses deutlich verbessert wird.
Im Gegensatz zu den weit verbreiteten Turbinen wird durch die Verwendung von Flüssigkeitskolbenentspannern versucht, eine isotherme Entspannung des Wärmeträgermediums in dem geschlossenen Kreisprozess zu realisieren. Durch die Verwendung eines Flüssigkeitskolbens können dem Entspannungsraum großzügig dimensionierte und in der Gestaltung sehr freie Oberflächen zur Optimierung der Wärmeübertragung gegeben werden, da es bei der Verwendung eines Fluids als "Kolben" kein Abdichtungsproblem gibt. Aus diesem Grunde lässt sich mit Flüssigkeitskolbenentspannern eine nahezu isotherme Entspannung erreichen. Ein weiterer Vorteil eines Flüssigkeitskolbenentspanners ist darin zu sehen, dass ein Phasenübergang bei der Entspannung vom flüssigen zum dampfförmigen Zustand für derartige Vorrichtungen unproblematisch ist, da der Flüssigkeitskolben auch bei sogenannten "Flüssigkeitsschlägen" keinen "mechanischen" Schaden nehmen kann. Vorraussetzung für das Funktionieren eines Flüssigkeitskolbenentspanners ist jedoch die Verwendung nicht mischbarer Fluide. Die Entspannung kann somit im über- und unterkritischen Bereich eines Arbeitsmediums erfolgen.
Die Erfindung weiter ausgestaltend ist vorgesehen, dass das Wärmeträgermedium in einem Flüssigkeitskolbenentspanner mit zwei Arbeitsräumen entspannt wird, deren gemeinsames Arbeitsfluid alternierend von dem einen Arbeitsraum in den anderen Arbeitsraum verdrängt wird. Ein solches erfindungsgemäßes Verfahren ermöglicht einen unterbrechungsfreien Fluss des Arbeitsmediums.
Insbesondere treibt in einem solchen erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt das Hydraulikfluid zwischen den Arbeitsräumen einen Hydraulikmotor an. So kann der Anteil der Energie des Arbeitsmediums in dem einen Arbeitsraum, der nicht zum Austreiben in dem anderen Arbeitsraum benötigt wird, als mechanische Energie nutzbar gemacht werden. Dieser Hydraulikmotor kann beispielsweise einen Generator oder wiederum eine Hydraulikpumpe antreiben.
Zur Vergleichmäßigung des Wärmeträgermedium-Massenstroms in Verbindung mit den zyklisch arbeitenden Flüssigkeitskolbenentspannern sollte sowohl vor als auch hinter den Flüssigkeitskolbenentspannern jeweils ein Speicher zwischengeschaltet werden. Während das Wärmeträgermedium in einem Hochdruckspeicher zwischengespeichert werden sollte, nachdem sein Druck in flüssigem Zustand erhöht worden ist, sollte das Wärmeträgermedium nach der Kondensation in einem Niederdruckspeicher zwischengespeichert werden, bevor dann der Druck in flüssigem Zustand wieder erhöht wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird durch innere Wärmeübertragung eine nicht unerhebliche Effizienzsteigerung erreicht: Wärme, die nach dem Entspannen des Wärmeträgermediums vor dessen Kondensation noch zur Verfügung steht, wird auf das zuvor in seinem Druck erhöhte Arbeitsmedium vor dessen Erhitzung übertragen. Hierbei handelt es sich um Wärme, die ansonsten nicht sinnvoll genutzt werden könnte. Durch einen derartigen Vorgang wird ansonsten ungenutzte Energie nutzbar gemacht.
Bei dem erfindungsgemäßen Kraftmaschinenprozess wird dem Arbeitsmedium während der Expansion Wärme in dem Maß zugeführt, dass die Expansion isotherm erfolgt, wobei die von einer Wärmequelle gelieferte Wärme mittels eines separaten Wärmeträgermediums dem Arbeitsmedium zugeführt wird und das Arbeitsmedium nach der Expansion im Flüssigkeitskolbenentspanner in dem inneren Wärmeübertrager abgekühlt und anschließend wieder dem Kondensator zugeführt wird.
Die pro Stufe wirksame Druckdifferenz bei der Entspannung lässt sich senken und damit der Kraftmaschinenprozess erfindungsgemäß vom Wirkungsgrad her weiter optimieren, wenn das Arbeitsmedium in zwei Stufen unter Verwendung zweier in Reihe hintereinander geschalteter Flüssigkeitskolbenentspanner entspannt wird, wobei mit den Hydraulikfluids der beiden Flüssigkeitskolbenentspanner getrennte Hydraulikkreise betrieben werden, jedoch die mit dem jeweiligen Hydraulikfluid betriebenen Kraftmaschinen miteinander, beispielsweise über eine gemeinsame Welle, gekoppelt sind. Zur Vergleichmäßigung des Massenstroms sollte auch hier pro Stufe jeweils ein Flüssigkeitskolbenentspanner mit zwei Arbeitsräumen eingesetzt werden, so dass insgesamt vier Arbeitsräume alternierend Verwendung finden. Mit Hilfe eines sogenannten "inneren Wärmeübertragers" lässt sich die Effizienz des Kreisprozesses steigern, da hiermit ansonsten ungenutzte Energie nutzbringend verwendet wird.
Um die von der Expansionsmaschine gewonnene Leistung unmittelbar zur Durchführung des Kreisprozesses zu verwenden, kann eine Wirkverbindung, insbesondere eine mechanische Kopplung beispielsweise über eine Welle, zwischen der Kraftmaschine beim Entspannen des Kältemittels und einer Hochdruckpumpe bestehen, mit der das Arbeitsmedium im flüssigen Zustand wieder auf Hochdruck gepumpt wird.
Ausgehend von der bekannten Kraftmaschine wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe dadurch gelöst, dass die Druckerniedrigungseinrichtung ein Flüssigkeitskolbenentspanner ist.
Auf diese Weise erfolgt eine Umsetzung des bereits weiter oben beschriebenen erfindungsgemäßen Kraftmaschinenprozesses in einer zu dessen Durchführung geeigneten Maschine. Wenn zusätzlich zu einer isothermen Entspannung der Wirkungsgrad der Kraftmaschine weiter gesteigert werden soll, kann ein innerer Wärmeübertrager vorgesehen werden, mittels dessen Wärme von dem die Druckerniedrigungseinrichtung verlassenden Arbeitsmedium auf das die Pumpe verlassende Arbeitsmedium übertragbar ist.
Ausführungsbeispiel Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele, anhand derer der Kraftmaschinenprozess gemäß der Erfindung dargestellt ist, näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 einen Kraftmaschinenprozess nach dem Stand der Technik in einem T-s-
Diagramm, Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Kraftmaschinenprozess in einem T-s-Diagramm mit isothermer Entspannung mittels eines Flüssigkeitskolbenentspanners und einem inneren Wärmeübertrager, Fig. 3 eine schematische Anlagendarstellung einer Kraftmaschine mit Flüssigkeitskolbenentspanner und innerem Wärmeübertrager und
Fig. 4 wie Figur 3, jedoch mit zweistufiger Entspannung in zwei in Reihe geschalteten Flüssigkeitskolbenentspannern. In Figur 3 ist schematisch das Anlagenschaubild einer Kraftmaschine 50 dargestellt. Diese besteht in dem Kreislauf des Arbeitsmediums (Arbeitsmedium ist beispielsweise Wasser) aus den folgenden Komponenten: Eine Hochdruckpumpe 51 für das flüssige Wasser fördert dieses in einen Hochdruckspeicher 52, von dem das Wasser in einem inneren Wärmeübertrager 53 vorerhitzt wird, um anschließend in einem Erhitzer 54 weiter erhitzt zu werden. Unter hohem Druck stehendes Wasser wird mithilfe eines
Flüssigkeitskolbenentspanners 55 auf einen niedrigen Druck entspannt, wobei der Vorgang der Entspannung isotherm abläuft, indem dem Wasser während des Entspannungsprozesses Wärme zugeführt wird. Anschließend gelangt der entspannte, aber noch heiße Wasserdampf in den inneren Wärmeübertrager 53, um seine Wärme an das unter hohem Druck stehende Wasser abzugeben. Nach dieser Wärmeübertragung wird der Dampf in einem Kondensator 56 gekühlt und zumindest teilweise kondensiert, bevor das Wasser in einen Niederdruckspeicher 57 gelangt, von dem aus es wiederum von der Hochdruckpumpe 51 angesaugt wird, wodurch sich der Kreislauf schließt.
Der Flüssigkeitskolbenentspanner 55 weist zwei getrennte Arbeitsräume (Zylinder) 58, 59 auf, die als Wärmetauscher ausgebildet, das heißt jeweils mit inneren Rohrbündeln 60, 61 sowie einem äußeren Doppelmantel 62, 63 versehen sind. Durch die hohlen Bündel 60, 61 und die Doppelmäntel 63, 63 fließt während des Entspannungsvorgangs ein Wärmeträgermedium, nämlich Thermoöl, in einem separaten Kreislauf. Die bei der isothermen Entspannung benötigte Wärme wird von einer Wärmequelle 60 in Form eines Brenners mit einem Kessel erzeugt und über eine Umwälzpumpe 61 dem jeweiligen
Arbeitsraum 58 bzw. 59 des Flüssigkeitskolbenentspanners 55 zugeführt. In Abhängigkeit davon, in welchem der beiden Arbeitsräume 58, 59 gerade die Entspannung stattfindet, schaltet ein Drei-Wege- Ventil 62 den gerade benötigten Strang des Thermoölkreislaufs frei. Alternativ können auch beide Stränge ständig gemeinsam durchströmt werden. Nach der Wärmeabgabe von dem Thermoöl an den im Inneren der Arbeitsräume 58, 59 befindlichen Wasserdampf wird das Thermoöl zu dem Erhitzer 4 geführt, wo es nochmals Wärme an das unter hohem Druck stehende Wasser abgibt, bevor es zurück zu der Wärmequelle 60 geführt wird, wodurch auch der Thermoölkreislauf geschlossen wird.
Ein dritter fluidischer Kreislauf wird gebildet von einem Hydraulikfluid, das sich jeweils im unteren Abschnitt der Arbeitsräume 58, 59 befindet und dort einen
Flüssigkeitsspiegel S bildet, der als Flüssigkeitskolben wirkt. Ausgehend von einem Zustand, in dem beispielsweise der gesamte Innenraum des Arbeitsraums 58 mit Hydraulikfluid gefüllt ist, wird dieses nach Öffnen des Motorventils 63 durch den Eintritt des erhitzten und unter hohem Druck stehenden Wassers sukzessive nach unten verdrängt, wobei über den Thermoölkreislauf fortlaufend Wärme auf den sich bildenden
Wasserdampf übertragen wird. Ein Vier- Wege-Hydraulikventil 67 ist so geschaltet, dass das Hydraulikfluid durch eine Leitung 68 über einen Wärmetauscher 69 und eine Leitung 70 zu einem Hydraulikmotor 71 geführt wird, wo das Hydraulikfluid unter Druckabbau Arbeit verrichtet, um unter niedrigerem Druck über die Leitung 71 und wiederum den Wärmetauscher 69 sowie die Leitungen 73 und 74 in den anderen
Arbeitsraum 59 geführt zu werden, um dort ein Ausschieben des im Zyklus zuvor in diesem Arbeitsraum 59 entspannten Wasserdampfes zu bewirken. Nach einem Umschalten des Drei-Wege- Ventils 62 sowie sämtlicher vier Motorventile 63 bis 66, sowie des Vier- Wege-Hydraulikventils 67 findet die isotherme Entspannung in dem Arbeitsraum 59 statt und das Hydraulikfluid strömt im quasi drucklosen Zustand in den Arbeitsraum 58 zurück. Der Hydraulikmotor 71 ist mit einem Generator 74 zur Erzeugung von elektrischem Strom gekoppelt. Der Wärmetauscher 69 dient dazu, die erhöhte Temperatur des Hydraulikfluids, das aus dem Arbeitsraum 58, 59 kommt, in dem gerade der Wasserdampf entspannt wird, noch vor dem Hydraulikmotor 71 an das aus dieser zurück strömende Hydraulikfluid zu übertragen, um die Wärmeverluste in dem Hydraulikmotor 71 gering zu halten und die
Wärme möglichst nur von einem Arbeitsraum in den jeweils anderen Arbeitsraum "hin und her zu schieben", sowie den Hydraulikmotor 71 vor zu hohen Temperaturen zu schützen.
Anhand der Figuren 1 und 2 sollen nachfolgend jeweils im T-s-Diagramm ein Kraftmaschinenprozess nach dem Stand der Technik mit einer Entspannung des Wasserdampfes in einer Turbine mit dem erfindungsgemäßen Kraftmaschinenprozess mit isothermer Expansion sowie zusätzlich einem inneren Wärmeübertrager verglichen werden. Bei dem in Figur 1 gezeigten konventionellen, einstufigen Kraftwerksprozess wird das Wasser, ausgehend von dem auf der Siedelinie 75 liegenden Punkt I, zunächst entlang der Siedelinie 75 bis zu dem Punkt I' erwärmt, bei dem die Verdampfung beginnt. Bis zum Punkt I" erfolgt die Wärmezufuhr durch den Phasenwechsel isotherm, wobei nach
Verlassen des Nassdampfgebiets (Punkt I") eine Überhitzung bis zum Punkt II stattfindet. Von dort aus wird der heiße Dampf in einer Turbine polytrop expandiert, wobei Punkt III im Nassdampfgebiet erreicht wird. Im folgenden Kondensator gibt der kondensierende Dampf bei gleichbleibender Temperatur Wärme ab, bis Punkt IV auf der Siedelinie erreicht ist. Die anschließende Druckerhöhung des wieder flüssigen Wassers hin zu Punkt I ist im Diagramm nicht sichtbar.
Dem gegenüber wird bei dem erfindungsgemäßen Kraftwerksprozess das erhitzte und unter hohem Druck stehende Wasser ausgehend von dem auf der Siedelinie 75 liegenden Punkt I isotherm entspannt, bis Punkt II erreicht wird. Von dort aus wird dem noch sehr heißen Dampf in dem inneren Wärmeübertrager 53 (Figur 9) die Wärme entzogen, bis Punkt III auf der Taulinie 76 erreicht wird. Der Wasserdampf kondensiert nunmehr im Kondensator 56 vollständig aus; das im flüssigen Zustand vorliegende Wasser wird durch Punkt IV auf der Siedelinie 75 repräsentiert. Die nunmehr erfolgende Druckerhöhung durch die Hochdruckpumpe 51 ist im T-s-Diagramm praktisch nicht sichtbar, da keine merkliche Änderung der Temperatur bzw. der Entropie eintritt, weshalb die Punkte IV und V beim vorliegenden Maßstab quasi zusammenfallen.
Ausgehend von Punkt V wird das Wasser nunmehr im inneren Wärmeübertrager 53 isobar entlang der Siedelinie erwärmt, bis Punkt VI erreicht ist. Von hier aus sorgt der Erhitzer 54 für die weitere Erwärmung des Wassers, bis sich der Kreislauf in Punkt I auf der Siedelinie 75 wieder schließt. Die Fläche unter der Linie II- III entspricht der Fläche unter der Linie V-VI, sofern im inneren Wärmeübertrager keine Verluste auftreten.
Schließlich soll anhand der Figur 4 noch ein schematisches Anlagenschaubild erläutert werden, das einen Kraftmaschinenprozess mit zweistufiger Entspannung repräsentiert. Um die wirksame Druckdifferenz pro Stufe zu verringern, wird das in dem Erhitzer 54 erhitzte und unter hohem Druck stehende Wasser zunächst in einem Hochdruck- Flüssigkeitskolbenentspanner 55' (geringeres Bauvolumen) und anschließend in einem Niederdruck-Flüssigkeitskolbenentspanner 55" (größeres Bauvolumen) entspannt. Dabei wird dem entspannten Wärmeträgermedium (Wasser) jeweils die erforderliche Wärme zugeführt, um die Expansion isotherm ablaufen zu lassen. Die Hydraulikfluids der beiden Flüssigkeitskolbenentspanner 55', 55" befinden sich in hydraulisch getrennten Kreisläufen und versorgen über zwei Vier- Wege-Hydraulikventile zwei Hydraulikmotoren 71', 71", die über gekoppelte Wellen auf einen gemeinsamen Generator 74 wirken.
In e len Figuren sind
50, 50' Kraftmaschine
51 Hochdruckpumpe
52 Hochdruckspeicher
53 Innerer Wärmeübertrager
54 Erhitzer
55, 55', 55" Flüssigkeitskolbenentspanner
56 Kondensator
57 Niederdruckspeicher
58 Arbeitsraum
59 Arbeitsraum
60 Wärmequelle
61 Umwälzpumpe
62 Drei-Wege- Ventil
63 Motorventil 4 Motorventil 5 Motorventil 6 Motorventil 7, 67', 67" Vier- Wege-Hydraulikventil 8 Leitung 9 Wärmetauscher 0 Leitung 1, 71', 7I" Hydraulikmotor 2 Leitung 3 Leitung 4 Generator 5 Siedelinie 6 Taulinie

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Kraftmaschine (50, 50') bei dem der Druck eines im flüssigen Zustand befindlichen Arbeitsmediums erhöht, das Arbeitsmedium anschließend erhitzt, in einem nächsten Schritt unter Arbeitsleistung entspannt und dabei verdampft, danach abgekühlt und anschließend in einem Kondensator (56) wieder kondensiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium nach der Erhitzung in einem Flüssigkeitskolbenentspanner (55, 55', 55") isotherm entspannt wird.
2. Verfahren nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitskolbenentspanner (55, 55', 55") zwei voneinander getrennte Arbeitsräume (58, 59) aufweist und dass das Arbeitsmedium abwechselnd in beiden Arbeitsräumen (58, 59) entspannt wird, deren gemeinsames Hydraulikfluid alternierend von dem einen Arbeitsraum (58, 59) in den anderen
Arbeitsraum (58, 59) unter Arbeitsleistung verdrängt wird.
3. Verfahren nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Hydraulikfluid zwischen den Arbeitsräumen (58, 59) einen Hydraulikmotor (71) antreibt.
4. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium in einem Hochdruckspeicher (52) zwischengespeichert wird, nachdem sein Druck im flüssigen Zustand erhöht worden ist.
5. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium nach oder vor der Kondensation in einem Niederdruckspeicher (57) zwischengespeichert wird, bevor sein Druck im flüssigen Zustand erhöht wird.
6. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Wärme von dem entspannten Arbeitsmedium vor dessen Kondensation auf das zuvor in seinem Druck erhöhte Wärmeträgermedium vor dessen weiterer Erhitzung übertragen wird.
7. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Arbeitsmedium während der Expansion Wärme derart zugeführt wird, dass die Expansion isotherm erfolgt und dass die von einer Wärmequelle (60) gelieferte Wärme mittels eines Wärmeträgermediums dem gerade entspannten Arbeitsmedium zugeführt wird, wobei das Wärmeträgermedium nach der Abkühlung im Flüssigkeitskolbenentspanner (55) in dem Erhitzer (54) für das Arbeitsmedium weiter abgekühlt und anschließend wieder der Wärmequelle (60) zugeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium in zwei Stufen unter Verwendung zweier in Reihe geschalteter Flüssigkeitskolbenentspanner (55', 55") entspannt wird, wobei mit den Hydraulikfluids der beiden Flüssigkeitskolbenentspanner (55', 55") getrennte Arbeitskreise betrieben werden, wobei jedoch die mit dem jeweiligen Arbeitsmedium betriebenen Hydraulikmotoren (71', 71") miteinander gekoppelt sind.
9. Kraftmaschine (50, 50') mit einer Druckerniedrigungseinrichtung für ein Arbeitsmedium, einem Kondensator (56) zur Kondensation des entspannten Arbeitsmediums, einer Pumpe (51) zur Erhöhung des Drucks des gekühlten flüssigen Arbeitsmediums, einem Erhitzer (54) zur Anhebung der Temperatur des Arbeitsmediums mindestens bis zur Verdampfungstemperatur, sowie die vorgenannten Komponenten verbindenden Leitungen, so dass das Arbeitsmedium im Kreislauf führbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckerniedrigungseinrichtung ein Flüssigkeitskolbenentspanner (55, 55', 55") ist.
10. Kraftmaschine (50, 50') nach dem vorgenannten Anspruch, gekennzeichnet durch einen Wärmeübertrager (53) mittels dessen Wärme von dem die Druckerniedrigungseinrichtung verlassenden Arbeitsmedium auf das die Pumpe (51) verlassende Arbeitsmedium übertragbar ist.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010063817A2 (de) * 2008-12-05 2010-06-10 Thermea. Energiesysteme Gmbh Vorrichtung und verfahren zur verdichtung oder kompression eines gases

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104005801B (zh) * 2013-02-25 2015-12-09 宝山钢铁股份有限公司 一种低压蒸汽差压发电系统及其回用蒸汽背压控制方法
DE102016202336A1 (de) * 2016-02-16 2017-08-17 Robert Bosch Gmbh Zusatzwärmespeicher und Wärmepumpenkreislauf
CN106801863B (zh) * 2017-02-06 2018-10-19 国家电网公司 一种火电机组给水旁路切主路过程中的旁路阀控制方法
DE102019129495B3 (de) * 2019-10-31 2021-04-15 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Verdichteranordnung, Wärmepumpenanordnung und Verfahren zum Betreiben der Verdichteranordnung
EP4296478A1 (de) * 2022-06-21 2023-12-27 Noditech AB Verfahren zum betrieb eines wärmekreislaufsystems, wärmekreislaufsystem und verfahren zur modifizierung eines wärmekreislaufsystems

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1342124A (en) * 1970-07-24 1973-12-25 Burke J A Cox E Cox Iii E External combustion power producing system
FR2261412A1 (en) * 1974-02-19 1975-09-12 Dubreuil Marc Heriard Thermal engine operating on mixed cycle - uses fluid with low critical temperature and high latent heat
WO2001063099A1 (en) * 2000-02-22 2001-08-30 Peter Thomas Dearman Engines driven by liquified or compressed gas
DE102005025255B3 (de) * 2005-06-02 2006-12-07 Lutz Giechau Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer Energie
WO2007115769A2 (de) * 2006-04-04 2007-10-18 Electricite De France Kolbendampfmaschine mit interner flash-verdampfung des arbeitsmediums

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US1766998A (en) 1928-09-07 1930-06-24 Heat Transfer Products Inc Apparatus for compressing substances
US2772543A (en) 1953-03-24 1956-12-04 Berry Frank Multiple hydraulic compressor in a refrigeration system
DE2610063A1 (de) * 1976-03-11 1977-09-15 Schmidt Hans Guenter Ing Grad Verfahren und einrichtung zur waermegewinnung aus abwaermemedien oder umgebungsluft
DE3925090A1 (de) * 1989-07-28 1991-02-07 Bbc York Kaelte Klima Verfahren zum betrieb einer kaelteanlage
US5073090A (en) * 1990-02-12 1991-12-17 Cassidy Joseph C Fluid piston compressor
DE10062948C2 (de) * 2000-12-16 2002-11-14 Eaton Fluid Power Gmbh Kältemaschine mit kontrollierter Kältemittelphase vor dem Verdichter
DE10159892B4 (de) * 2001-12-06 2006-08-24 Stiebel Eltron Gmbh & Co. Kg Kältemaschine mit einem Rekuperator
US6647742B1 (en) * 2002-05-29 2003-11-18 Carrier Corporation Expander driven motor for auxiliary machinery
US6591618B1 (en) * 2002-08-12 2003-07-15 Praxair Technology, Inc. Supercritical refrigeration system
DE102004023834A1 (de) * 2004-05-14 2005-12-08 Robert Bosch Gmbh Expansionseinrichtung für ein Kältemittel
US20070271956A1 (en) * 2006-05-23 2007-11-29 Johnson Controls Technology Company System and method for reducing windage losses in compressor motors

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1342124A (en) * 1970-07-24 1973-12-25 Burke J A Cox E Cox Iii E External combustion power producing system
FR2261412A1 (en) * 1974-02-19 1975-09-12 Dubreuil Marc Heriard Thermal engine operating on mixed cycle - uses fluid with low critical temperature and high latent heat
WO2001063099A1 (en) * 2000-02-22 2001-08-30 Peter Thomas Dearman Engines driven by liquified or compressed gas
DE102005025255B3 (de) * 2005-06-02 2006-12-07 Lutz Giechau Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer Energie
WO2007115769A2 (de) * 2006-04-04 2007-10-18 Electricite De France Kolbendampfmaschine mit interner flash-verdampfung des arbeitsmediums

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010063817A2 (de) * 2008-12-05 2010-06-10 Thermea. Energiesysteme Gmbh Vorrichtung und verfahren zur verdichtung oder kompression eines gases
WO2010063817A3 (de) * 2008-12-05 2011-01-06 Thermea. Energiesysteme Gmbh Vorrichtung und verfahren zur verdichtung oder kompression eines gases

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