WO2010057237A2 - Verfahren zum betreiben einer wärmekraftmaschine sowie wärmekraftmaschine zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zum betreiben einer wärmekraftmaschine sowie wärmekraftmaschine zur durchführung des verfahrens Download PDF

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WO2010057237A2
WO2010057237A2 PCT/AT2009/000442 AT2009000442W WO2010057237A2 WO 2010057237 A2 WO2010057237 A2 WO 2010057237A2 AT 2009000442 W AT2009000442 W AT 2009000442W WO 2010057237 A2 WO2010057237 A2 WO 2010057237A2
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Raimund Almbauer
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Imt-C Innovative Motorfahrzeuge Und Technologie - Cooperation Gmbh
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    • F01K27/005—Plants for converting heat or fluid energy into mechanical energy, not otherwise provided for by means of hydraulic motors

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a heat engine, wherein a working fluid is relaxed in a circuit after a substantially isobaric evaporation at a higher pressure level to a low pressure level and condensed again.
  • the invention is therefore based on the object, a method for operating a heat engine of the type described in such a way that a substantial conversion of the exergy of heat into mechanical work is possible, with a comparatively simple and inexpensive construction of the heat engine.
  • Presentation of the invention is therefore based on the object, a method for operating a heat engine of the type described in such a way that a substantial conversion of the exergy of heat into mechanical work is possible, with a comparatively simple and inexpensive construction of the heat engine.
  • the invention solves the stated object in that by means of a liquid which is pressurized by the tensioned vapor of the working fluid in at least one pressure vessel, a arranged in an intermediate container hydraulic machine, preferably a liquid turbine, is acted upon and that after the application of the hydraulic machine with the liquid from the pressure vessel of the pressure vessel connected to the intermediate tank to relax the vapor on the steam side and the liquid collected in the intermediate tank is recycled via a return line in the pressure vessel before the expanded steam of the working fluid condenses from the intermediate tank and for re-pressurizing the pressure vessel is evaporated again.
  • a liquid which is pressurized by the tensioned vapor of the working fluid in at least one pressure vessel a arranged in an intermediate container hydraulic machine, preferably a liquid turbine, is acted upon and that after the application of the hydraulic machine with the liquid from the pressure vessel of the pressure vessel connected to the intermediate tank to relax the vapor on the steam side and the liquid collected in the intermediate tank is recycled via a return line in the pressure vessel before the expanded steam of the working fluid
  • a largely aligned to the Clausius Rankine cycle process can be ensured because after a nearly isentropic pumping of the liquid working fluid to achieve a higher pressure level, only the heat needed to boil the working fluid is supplied. While maintaining the largely isobaric conditions conditions then the working fluid can be completely converted into saturated steam, the liquid in the pressure vessel due to the higher pressure levels and the increasing evaporation of the working fluid a piston comparable acted upon by the working fluid vapor and displaced from the pressure vessel to this volume change work to be converted into mechanical shaft work via a hydraulic machine until the intermediate machine vessel accommodating the hydraulic machine is connected to the vapor space of the pressure vessel through a corresponding flow path and the saturated steam is depressurized to the lower outlet pressure level.
  • the liquid collected in the intermediate container can then be returned to the pressure vessel to perform a new cycle after condensation of the working medium vapor from the intermediate container initiate evaporation of the condensed working fluid.
  • hydraulic machines in particular liquid turbines come into consideration. But it could also be used hydraulic motors for this purpose.
  • the hydraulic machine is not only cyclically charged with liquid
  • at least two pressure vessels can be used, one of which is alternately filled with liquid, while the other is acted upon by the tensioned vapor of the working fluid, so that the cycle times of the two pressure vessels to a more uniform Supplement the admission of the hydraulic machine.
  • the loading of the hydraulic machine can be further improved by increasing the number of pressure vessels.
  • the alternating filling of the pressure vessel with liquid can preferably via the intermediate container respectively. It is for this purpose but also a reciprocating pumping of the working fluid between the pressure vessels possible.
  • a heat engine with at least one working medium circuit which contains an evaporator, an expansion device and a condenser and is characterized in that the evaporator comprises a liquid-receiving pressure vessel with a connecting line, which is a supply line for a hydraulic machine, preferably a liquid turbine, fed within an intermediate container, which forms a connected by a valve-controlled return line to the pressure vessel collecting space for the liquid and is connected to the condenser for the vapor of the working fluid.
  • the liquid is supplied from the pressure vessel through the connecting line via the connected admission line of the hydraulic machine until the liquid level in the pressure vessel drops below the mouth opening of the connecting line and the vapor pressure displaces the liquid column in the connecting line in the intermediate container, so that over Connecting line results in a steam-side flow connection between the intermediate container and the pressure vessel, which allows isenthalpe relaxation of the working medium vapor.
  • the sequence control is carried out independently depending on the displaced volume flow from the pressure vessel. It therefore only needs to be provided for a return of the liquid collected in the intermediate container in the pressure vessel via a valve-controlled return line in order to start a new cycle with the evaporation of the condensed working fluid from the gap.
  • the evaporation of the working fluid pumped into the pressure vessel is advantageously carried out in direct heat exchange with the liquid, whose boiling temperature has to be selected correspondingly higher than that of the working fluid.
  • at least one heat exchanger which can be arranged in the pressure vessel and / or in the intermediate container or is formed by the pressure vessel itself.
  • the return of the liquid collected in the intermediate container can be controlled independently in the pressure vessel, the return line between the intermediate container and the pressure vessel actuated by the prevailing buoyancy in the pressure vessel check valve which blocks the return line at a corresponding buoyancy, the sinking of the liquid level below the mouth of the connecting line but the return line releases, supported by the load of the accumulated in the intermediate container liquid.
  • Fig. 1 is a heat engine for carrying out the invention
  • the illustrated heat engine comprises two pressure vessels 1, 2 for a liquid 3, for example water, wherein this liquid 3 is supplied with the vapor 4 of an organic working medium 5, for example isobutane, with a predetermined pressure.
  • an organic working fluid for example isobutane
  • ammonia instead of an organic working fluid but could also be used ammonia.
  • a hydraulic machine 6, in the illustrated embodiment a liquid turbine, preferably a pulse turbine, such as a Pelton or Turgoturbine operated.
  • This hydraulic machine 6, which drives a generator for generating electrical energy in the usual way, is arranged in an intermediate container 7, in which the discharge nozzles 8 provided with the supply lines 9 for the hydraulic machine 6 open.
  • the liquid 3 is taken from the pressure vessels 1 via connecting lines 10.
  • the intermediate container 7 forms a collecting space for the liquid 3, which is connected to the pressure vessels 1 via return lines 11.
  • These return lines 11 are provided with check valves 12 which are actuated according to the illustrated embodiment in response to buoyancy in the pressure vessel 1, as is known.
  • a capacitor 13 for the steam 4 of the working fluid 5 is connected, which can be promoted after its condensation by means of a pump 14 via control valves 15, 16 either in the pressure vessel 1 and 2.
  • control valves 15, 16 either in the pressure vessel 1 and 2.
  • heat exchangers 17 are provided, which may be assigned to the pressure vessels 1, 2, but also the collecting space for the liquid 3 in the intermediate container 7.
  • the pressure vessels 1, 2 can form the heat exchangers 17 themselves to simplify the design.
  • the pressure vessels 1, 2 comprise two interconnected by heat exchanger tubes 18 collecting spaces 19. Since these pressure vessels 1, 2 are inserted into a heat exchanger housing 20, which is flowed through by a heat carrier, the heat of this heat transfer medium directly through the heat exchanger tubes 18 and Collecting container 19 to the liquid 3 and the working means 5 are discharged.
  • liquid working fluid via the pump 14 with the control valve 15 is open, which in the direct heat exchange with the liquid 3 evaporates, so that with a correspondingly metered supply of the working medium 5 hardly ever steamed working fluid 5 accumulates in the pressure vessel 1.
  • the outer parameters are selected so that the evaporation of the working fluid 5 takes place under isobaric conditions, so that the fluid 3 is pressurized to a predetermined pressure, displaced via the connecting line 10 from the pressure vessel 1 to the extent of the increasing vapor volume and in the outlet nozzle 8 of FIG Beauftschungstechnisch 9 is converted into kinetic energy as a function of the pressure difference between the pressure vessel 1 and the intermediate container 7, by means of which the hydraulic machine 6 is driven.
  • the displaced from the pressure vessel 1 for driving the hydraulic machine 6 liquid 3 is collected in the plenum of the intermediate container 7. Wherein, due to the closed return line 11, a backflow of the liquid 3 from the intermediate container 7 into the pressure vessel 1 is initially prevented.
  • the liquid 3 can be supplied to the hydraulic machine 6 from the pressure vessel 3 only as long as the liquid level does not fall below the mouth opening of the connection line 10. If this is the case, then the liquid column is displaced in the connecting line 10 by the saturated steam 4 in the intermediate container 7 and released a vapor-side flow connection between the pressure vessel 1 and the intermediate container 7 with the effect that adjusts a pressure balance and the steam 4 in the pressure vessel 1 isenthalp relaxed. Because of the lack of buoyancy in the pressure vessel 1 opens the check valve 12, supported by the ballast of the collected liquid in the intermediate container 7, and the pressure vessel 1 is filled again with liquid 3.
  • the liquid 3 which flows into the intermediate container to pressurize the hydraulic machine 6 displaces the expanded steam 4 of the working medium 5 present in the intermediate container 7 into the connected condenser 13 whose temperature determines the pressure level in the intermediate container 7.
  • the cycle described can be carried out anew by pumping working fluid condensate into the pressure vessel 1.
  • the operation of the pressure vessel 2 coincides with that of the pressure vessel 1.
  • a temporal displacement is sought in order to pressurize the hydraulic machine 6 with liquid 3 during the return flow of the liquid 3 from the container into one of the pressure vessels 1, 2 with the aid of the respective other pressure vessel 2, 1, so that an at least approximately constant Drive for the hydraulic machine 6 can be ensured.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine beschrieben, wobei ein Arbeitsmittel (5) in einem Kreislauf nach einem im Wesentlichen isobaren Verdampfen auf einem höheren Druckniveau auf ein niedriges Druckniveau entspannt und wieder kondensiert wird. Um vorteilhafte Arbeitsbedingungen zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass mit Hilfe einer Flüssigkeit (3), die durch den gespannten Dampf (4) des Arbeitsmittels (5) in wenigstens einem Druckbehälter (1, 2) unter Druck gesetzt wird, eine in einem Zwischenbehälter (7) angeordnete hydraulische Maschine (6), vorzugsweise eine Flüssigkeitsturbine, beaufschlagt wird und dass nach der Beaufschlagung der hydraulischen Maschine (6) mit der Flüssigkeit (3) aus dem Druckbehälter (1, 2) der Druckbehälter (1, 2) mit dem Zwischenbehälter (7) zur Entspannung des Dampfes (4) dampfseitig verbunden und die im Zwischenbehälter (7) gesammelte Flüssigkeit (3) über eine Rückleitung (11) in den Druckbehälter (1, 2) rückgeführt wird, bevor der entspannte Dampf (4) des Arbeitsmittels (5) aus dem Zwischenbehälter (7) kondensiert und zur neuerlichen Beaufschlagung des Druckbehälters (1, 2) wieder verdampft wird.

Description

Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine sowie Wärmekraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine, wobei ein Arbeitsmittel in einem Kreislauf nach einem im Wesentlichen isobaren Verdampfen auf einem höheren Druckniveau auf ein niedriges Druckniveau entspannt und wieder kondensiert wird.
Stand der Technik
Um auch bei kleinen Temperaturgefällen zwischen Wärmequelle und Wärmesenke Dampfturbinen betreiben zu können, werden organische Arbeitsmittel eingesetzt. Diese als organische Rankine Kreisprozesse bekannten Betriebsverfahren stellen vorteilhafte Voraussetzungen dar, um Wärme mit niedrigem Temperatumiveau in mechanische Arbeit umzuwandeln, weil die obere Grenzkurve für den Sattdampf im Temperatur/Entropie-Diagramm einen weitgehend isentropen Verlauf einnimmt. Die hiefür üblicherweise eingesetzten Dampfturbinen können allerdings die Forderungen nach einer möglichst kostengünstigen Ausbeute der mechanischen Arbeit aus der Wärme nicht erfüllen.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine der eingangs geschilderten Art so auszugestalten, dass eine weitgehende Umwandlung der Exergie der Wärme in mechanische Arbeit möglich wird, und zwar bei einem vergleichsweise einfachen und kostengünstigen Aufbau der eingesetzten Wärmekraftmaschine. Darstellung der Erfindung
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass mit Hilfe einer Flüssigkeit, die durch den gespannten Dampf des Arbeitsmittels in wenigstens einem Druckbehälter unter Druck gesetzt wird, eine in einem Zwischenbehälter angeordnete hydraulische Maschine, vorzugsweise eine Flüssigkeitsturbine, beaufschlagt wird und dass nach der Beaufschlagung der hydraulischen Maschine mit der Flüssigkeit aus dem Druckbehälter der Druckbehälter mit dem Zwischenbehälter zur Entspannung des Dampfes dampfseitig verbunden und die im Zwischenbehälter gesammelte Flüssigkeit über eine Rückleitung in den Druckbehälter rückgeführt wird, bevor der entspannte Dampf des Arbeitsmittels aus dem Zwischenbehälter kondensiert und zur neuerlichen Beaufschlagung des Druckbehälters wieder verdampft wird.
Zufolge dieser Maßnahmen kann ein weitgehend an den Clausius Rankine Kreisprozess angeglichener Verfahrensablauf sichergestellt werden, weil nach einem nahezu isentropen Pumpen des flüssigen Arbeitsmittels zum Erreichen eines höheren Druckniveaus bloß die zum Sieden des Arbeitsmittels benötigte Wärme zugeführt wird. Unter Beibehaltung der weitestgehend isobaren Zu- standsbedingungen kann dann das Arbeitsmittel vollständig in Sattdampf überführt werden, wobei die Flüssigkeit im Druckbehälter aufgrund des höheren Druckniveaus und der zunehmenden Verdampfung des Arbeitsmittels einem Kolben vergleichbar durch den Arbeitsmitteldampf beaufschlagt und aus dem Druckbehälter verdrängt wird, um diese Volumsänderungsarbeit über eine hydraulische Maschine in mechanische Wellenarbeit umzusetzen, bis durch einen entsprechenden Strömungsweg der die hydraulische Maschine aufnehmende Zwischenbehälter mit dem Dampfraum des Druckbehälters verbunden wird und der Sattdampf isenthalp auf das niedrigere Ausgangsdruckniveau entspannt wird. Die im Zwischenbehälter gesammelte Flüssigkeit kann dann wieder in den Druckbehälter rückgeführt werden, um nach einer Kondensation des Arbeitsmitteldampfs aus dem Zwischenbehälter einen neuen Zyklus durch ein Verdampfen des kondensierten Arbeitsmittels einzuleiten. Als hydraulische Maschinen kommen insbesondere Flüssigkeitsturbinen in betracht. Es könnten aber auch Hydraulikmotoren hiefür eingesetzt werden.
Durch die Beaufschlagung der Flüssigkeit mit Sattdampf des Arbeitsmittels im Druckbehälter und der dadurch bedingten Flüssigkeitsbeaufschlagung der hydraulischen Maschine im Zwischenbehälter ergeben sich im Vergleich zur Beaufschlagung von Hubkolben einfache Konstruktionsbedingungen, weil die im allgemeinen erforderliche Umsetzung einer hin- und hergehenden Hubbewegung in eine Drehbewegung entfällt. Außerdem können in einfacher Art große Verdrängungsvolumen zu Verfügung gestellt werden, was vergleichsweise lange Taktzeiten ermöglicht.
Besonders vorteilhafte Verfahrensbedingungen ergeben sich, wenn das kondensierte Arbeitsmittel in den Druckbehälter gepumpt und mit Hilfe der erwärmten Flüssigkeit im unmittelbaren Wärmeaustausch verdampft wird. In diesem Fall können nicht nur gute Wärmeübergangsverhältnisse auf das Arbeitsmittel sichergestellt, sondern auch gesonderte Wärmetauscher zum Verdampfen des Arbeitsmittels erübrigt werden. Es ist lediglich die Flüssigkeit auf eine Temperatur zu erwärmen, die nur geringfügig über der des Arbeitsmittels liegen soll, um eine Wärmezufuhr in das Arbeitsmittel auf einem entsprechend hohen Temperaturniveau zu ermöglichen und damit einen hohen Wirkungsgrad zu sichern.
Damit die hydraulische Maschine nicht nur taktweise mit Flüssigkeit beaufschlagt wird, können wenigstens zwei Druckbehälter eingesetzt werden, von denen abwechselnd einer mit Flüssigkeit befüllt wird, während der andere mit dem gespannten Dampf des Arbeitsmittels beaufschlagt wird, sodass sich die Taktzeiten der beiden Druckbehälter zu einer gleichmäßigeren Beaufschlagung der hydraulischen Maschine ergänzen. Selbstverständlich kann die Beaufschlagung der hydraulischen Maschine durch Steigerung der Anzahl der Druckbehälter weiter verbessert werden. Die abwechselnde Befüllung der Druckbehälter mit Flüssigkeit kann vorzugsweise über den Zwischenbehälter erfolgen. Es ist zu diesem Zweck aber auch ein Hin- und Herpumpen des Arbeitsmittels zwischen den Druckbehältern möglich.
Zur Durchführung des Verfahrens kann eine Wärmekraftmaschine mit wenigstens einem Arbeitsmittelkreislauf eingesetzt werden, der einen Verdampfer, eine Entspannungseinrichtung und einen Kondensator enthält und sich dadurch auszeichnet, dass der Verdampfer einen eine Flüssigkeit aufnehmenden Druckbehälter mit einer Anschlussleitung umfasst, die eine Beaufschlagungsleitung für eine hydraulische Maschine, vorzugsweise eine Flüssigkeitsturbine, innerhalb eines Zwischenbehälters speist, der einen durch eine ventilgesteuerte Rücklaufleitung mit dem Druckbehälter verbundenen Sammelraum für die Flüssigkeit bildet und an den Kondensator für den Dampf des Arbeitsmittels angeschlossen ist.
Mittels des verdampfenden Arbeitsmittels wird die Flüssigkeit aus dem Druckbehälter durch die Anschlussleitung über die angeschlossene Beaufschlagungsleitung der hydraulischen Maschine zugefördert, bis der Flüssigkeitsspiegel im Druckbehälter unter die Mündungsöffnung der Anschlussleitung absinkt und der Dampfdruck die Flüssigkeitssäule in der Anschlussleitung in den Zwischenbehälter verdrängt, sodass sich über die Anschlussleitung eine dampfsei- tige Strömungsverbindung zwischen dem Zwischenbehälter und dem Druckbehälter ergibt, die eine isenthalpe Entspannung des Arbeitsmitteldampfs erlaubt. Die Ablaufsteuerung erfolgt dabei selbständig in Abhängigkeit vom verdrängten Volumenstrom aus dem Druckbehälter. Es braucht daher lediglich für eine Rückführung der im Zwischenbehälter gesammelten Flüssigkeit in den Druckbehälter über eine ventilgesteuerte Rücklaufleitung gesorgt zu werden, um mit der Verdampfung des kondensierten Arbeitsmittels aus dem Zwischenraum einen neuen Zyklus beginnen zu können. Die Verdampfung des in den Druckbehälter gepumpten Arbeitsmittels wird vorteilhaft im unmittelbaren Wärmeaustausch mit der Flüssigkeit vorgenommen, deren Siedetemperatur entsprechend höher als die des Arbeitsmittels gewählt werden muss. Zur Erwärmung der Flüssigkeit auf eine Temperatur oberhalb der Siedetemperatur des Arbeitsmit- tels kann wenigstens ein Wärmetauscher eingesetzt werden, der im Druckbehälter und/oder im Zwischenbehälter angeordnet sein kann oder durch den Druckbehälter selbst gebildet wird.
Damit auch die Rückleitung der im Zwischenbehälter gesammelten Flüssigkeit in den Druckbehälter selbständig gesteuert werden kann, kann die Rücklaufleitung zwischen dem Zwischenbehälter und dem Druckbehälter ein vom herrschenden Auftrieb im Druckbehälter betätigbares Rückschlagventil aufweisen, das bei einem entsprechenden Auftrieb die Rücklaufleitung sperrt, beim Absinken des Flüssigkeitsspiegels unter die Mündung der Anschlussleitung die Rücklaufleitung aber freigibt, unterstützt durch die Auflast der im Zwischenbehälter angesammelten Flüssigkeit.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 eine Wärmekraftmaschine zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens in einem vereinfachten Blockschaltbild und Fig. 2 einen als Wärmetauscher ausgebildeten Druckbehälter ebenfalls in einem schematischen Blockschaltbild.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Die dargestellte Wärmekraftmaschine umfasst zwei Druckbehälter 1 , 2 für eine Flüssigkeit 3, beispielsweise Wasser, wobei diese Flüssigkeit 3 mit dem Dampf 4 eines organischen Arbeitsmittels 5, beispielsweise Isobutan, mit einem vorgegebenen Druck beaufschlagt wird. Anstelle eines organischen Arbeitsmittels könnte aber auch Ammoniak eingesetzt werden. Mit Hilfe dieser druckbeaufschlagten Flüssigkeit wird eine hydraulische Maschine 6, im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Flüssigkeitsturbine, vorzugsweise eine Impulsturbine, wie eine Pelton- oder Turgoturbine, betrieben. Diese hydraulische Maschine 6, die in üblicher Weise einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie antreibt, ist in einem Zwischenbehälter 7 angeordnet, in dem die mit Austrittsdüsen 8 versehenen Beaufschlagungsleitungen 9 für die hydraulische Maschine 6 münden. Die Flüssigkeit 3 wird den Druckbehältern 1 über Anschlussleitungen 10 entnommen. Der Zwischenbehälter 7 bildet einen Sammelraum für die Flüssigkeit 3, der mit den Druckbehältern 1 über Rückleitungen 11 verbunden ist. Diese Rückleitungen 11 sind mit Rückschlagventilen 12 versehen, die gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel in Abhängigkeit vom Auftrieb im Druckbehälter 1 betätigt werden, wie dies bekannt ist.
Am Zwischenbehälter 7 ist ein Kondensator 13 für den Dampf 4 des Arbeitsmittels 5 angeschlossen, das nach seiner Kondensierung mit Hilfe einer Pumpe 14 über Steuerventile 15, 16 wahlweise in die Druckbehälter 1 und 2 gefördert werden kann. Zur Erwärmung der Flüssigkeit 3 sind Wärmetauscher 17 vorgesehen, die den Druckbehältern 1 , 2, aber auch dem Sammelraum für die Flüssigkeit 3 im Zwischenbehälter 7 zugeordnet sein können.
Wie der Fig. 2 entnommen werden kann, können zur Konstruktionsvereinfachung die Druckbehälter 1 , 2 die Wärmetauscher 17 selbst bilden. Zu diesem Zweck umfassen die Druckbehälter 1 , 2 zwei durch Wärmetauscherrohre 18 miteinander verbundene Sammelräume 19. Da diese Druckbehälter 1 , 2 in ein Wärmetauschergehäuse 20 eingesetzt sind, das von einem Wärmeträger durchströmt wird, kann die Wärme dieses Wärmeträgers unmittelbar über die Wärmetauscherrohre 18 und die Sammelbehälter 19 an die Flüssigkeit 3 bzw. das Arbeitsmittel 5 abgegeben werden.
Zur Gewinnung mechanischer Arbeit aus der der Flüssigkeit 3 über die Wärmetauscher 17 zugeführten Wärme wird einem der beiden Druckbehälter 1 , 2, beispielsweise dem mit Flüssigkeit 3 gefüllten Druckbehälter 1 , flüssiges Arbeitsmittel über die Pumpe 14 bei geöffnetem Steuerventil 15 zugefördert, das im unmittelbaren Wärmeaustausch mit der Flüssigkeit 3 verdampft, sodass sich bei einer entsprechend dosierten Zufuhr des Arbeitsmittels 5 kaum unver- dampftes Arbeitsmittel 5 im Druckbehälter 1 ansammelt. Die äußeren Parameter werden so gewählt, dass die Verdampfung des Arbeitsmittels 5 unter isoba- ren Bedingungen erfolgt, sodass die Flüssigkeit 3 mit einem vorgegebenen Druck beaufschlagt, im Ausmaß des wachsenden Dampfvolumens über die Anschlussleitung 10 aus dem Druckbehälter 1 verdrängt und in der Austrittsdüse 8 der Beaufschlagungsleitung 9 in Abhängigkeit von der Druckdifferenz zwischen dem Druckbehälter 1 und dem Zwischenbehälter 7 in kinetische Energie umgesetzt wird, mit deren Hilfe die hydraulische Maschine 6 angetrieben wird. Die aus dem Druckbehälter 1 zum Antrieb der hydraulischen Maschine 6 verdrängte Flüssigkeit 3 wird im Sammelraum des Zwischenbehälters 7 aufgefangen. Wobei wegen der geschlossenen Rückleitung 11 ein Rückfließen der Flüssigkeit 3 aus dem Zwischenbehälter 7 in den Druckbehälter 1 zunächst unterbunden wird. Die Flüssigkeit 3 kann der hydraulischen Maschine 6 aus dem Druckbehälter 3 nur solange zugefördert werden, solange der Flüssigkeitsspiegel nicht unter die Mündungsöffnung der Anschlussleitung 10 absinkt. Ist dies der Fall, so wird die Flüssigkeitssäule in der Anschlussleitung 10 durch den Sattdampf 4 in den Zwischenbehälter 7 verdrängt und eine dampfseitige Strömungsverbindung zwischen dem Druckbehälter 1 und dem Zwischenbehälter 7 mit der Wirkung freigegeben, dass sich ein Druckausgleich einstellt und der Dampf 4 im Druckbehälter 1 isenthalp entspannt. Wegen des fehlenden Auftriebs im Druckbehälter 1 öffnet das Rückschlagventil 12, unterstützt durch die Auflast der im Zwischenbehälter 7 gesammelten Flüssigkeit, und der Druckbehälter 1 wird wieder mit Flüssigkeit 3 gefüllt.
Die zur Beaufschlagung der hydraulischen Maschine 6 in den Zwischenbehälter strömende Flüssigkeit 3 verdrängt den im Zwischenbehälter 7 vorhandenen entspannten Dampf 4 des Arbeitsmittels 5 in den angeschlossenen Kondensator 13, dessen Temperatur das Druckniveau im Zwischenbehälter 7 bestimmt. Nach dem Füllen des Druckbehälters 1 und dem anschließenden Schließen des Rückschlagventils 12 kann der beschriebene Zyklus von neuem durchgeführt werden, indem Arbeitsmittelkondensat in den Druckbehälter 1 gepumpt wird. Die Arbeitsweise des Druckbehälters 2 stimmt mit der des Druckbehälters 1 überein. Es wird jedoch eine zeitliche Versetzung angestrebt, um während des Rückfließens der Flüssigkeit 3 aus dem Behälter in einen der Druckbehälter 1 , 2 mit Hilfe des jeweils anderen Druckbehälters 2, 1 die hydraulische Maschine 6 mit Flüssigkeit 3 beaufschlagen zu können, sodass ein zumindest angenähert konstanter Antrieb für die hydraulische Maschine 6 sichergestellt werden kann. In der Zeichnung ist dieser Umstand dadurch angedeutet, dass der Druckbehälter 2 während der Befüllung mit Flüssigkeit 3 aus dem Zwischenbehälter 7 über das offenen Rückschlagventil 12 dargestellt ist. Es braucht wohl nicht besonders hervorgehoben zu werden, dass mit der Anzahl der Druckbehälter die gleichmäßige Beaufschlagung der hydraulischen Maschine 6 verbessert werden kann. Beim Vorsehen mehrerer Druckbehälter kann es notwendig werden, die Zeit zur Befüllung der Druckbehälter mit Flüssigkeit aus dem Zwischenbehälter zu verkürzen. Zu diesem Zweck können für die Rückförderung der Flüssigkeit 3 entsprechende Pumpen eingesetzt werden.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine, wobei ein Arbeitsmittel in einem Kreislauf nach einem im Wesentlichen isobaren Verdampfen auf einem höheren Druckniveau auf ein niedriges Druckniveau entspannt und wieder kondensiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe einer Flüssigkeit (3), die durch den gespannten Dampf (4) des Arbeitsmittels (5) in wenigstens einem Druckbehälter (1 , 2) unter Druck gesetzt wird, eine in einem Zwischenbehälter (7) angeordnete hydraulische Maschine (6), vorzugsweise eine Flüssigkeitsturbine, beaufschlagt wird und dass nach der Beaufschlagung der hydraulischen Maschine (6) mit der Flüssigkeit (3) aus dem Druckbehälter (1 , 2) der Druckbehälter (1 , 2) mit dem Zwischenbehälter (7) zur Entspannung des Dampfes (4) dampfseitig verbunden und die im Zwischenbehälter (7) gesammelte Flüssigkeit (3) über eine Rückleitung (11) in den Druckbehälter (1 , 2) rückgeführt wird, bevor der entspannte Dampf (4) des Arbeitsmittels (5) aus dem Zwischenbehälter (7) kondensiert und zur neuerlichen Beaufschlagung des Druckbehälters (1 , 2) wieder verdampft wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das kondensierte Arbeitsmittel (5) in den Druckbehälter (1 , 2) gepumpt und mit Hilfe der erwärmten Flüssigkeit (3) im unmittelbaren Wärmeaustausch verdampft wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Druckbehälter (1 , 2) eingesetzt werden, von denen abwechselnd einer mit Flüssigkeit (3) befüllt wird, während der andere mit dem gespannten Dampf (4) des Arbeitsmittels (5) beaufschlagt wird.
4. Wärmekraftmaschine mit wenigstens einem Arbeitsmittelkreislauf, der einen Verdampfer, eine Entspannungseinrichtung und einen Kondensator enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer wenigstens einen eine Flüssigkeit (3) aufnehmenden Druckbehälter (1 , 2) mit einer Anschlussleitung (10) umfasst, die eine Beaufschlagungsleitung (9) für eine hydraulische Maschine (6), vorzugsweise eine Flüssigkeitsturbine, innerhalb eines Zwischenbehälters (7) speist, der einen durch eine ventilgesteuerte Rücklaufleitung (11) mit dem Druckbehälter (1 , 2) verbundenen Sammelraum für die Flüssigkeit (3) bildet und an den Kondensator (13) für den Dampf (4) des Arbeitsmittels (5) angeschlossen ist.
5. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter (1 , 2) einen Wärmetauscher (17) zur Erwärmung der Flüssigkeit (3) aufweist oder bildet.
6. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rücklaufleitung (11) zwischen dem Zwischenbehälter (7) und dem Druckbehälter (1 , 2) ein vom Auftrieb im Druckbehälter (1 , 2) betätigbares Rückschlagventil (12) aufweist.
PCT/AT2009/000442 2008-11-19 2009-11-18 Verfahren zum betreiben einer wärmekraftmaschine sowie wärmekraftmaschine zur durchführung des verfahrens WO2010057237A2 (de)

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