WO2010057237A2 - Method for operating a thermal engine and thermal engine for carrying out the method - Google Patents

Method for operating a thermal engine and thermal engine for carrying out the method 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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intermediate container
steam
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Imt-C Innovative Motorfahrzeuge Und Technologie - Cooperation Gmbh
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    • F01K25/08—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 special vapours
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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

The invention relates to a method for operating a thermal engine, wherein, after substantially isobaric evaporation at a higher pressure level, a working substance (5) is relieved to a low pressure level in a cycle and condensed again. In order to create advantageous working conditions, it is proposed to apply a fluid (3), which is pressurized by the pressurized steam (4) of the working substance (5) in at least one pressure container (1, 2), to a hydraulic machine (6) arranged in an intermediate container (7), preferably a fluid turbine, and after applying the fluid (3) from the pressure container (1, 2) to the hydraulic machine (6), the pressure container (1, 2) is connected on the steam side to the intermediate container (7) for relieving the steam (4) and the fluid (3) collected in the intermediate container (7) is recirculated into the pressure container (1, 2) via a return line (11) before the relieved steam (4) of the working substance (5) from the intermediate container (7) is condensed and evaporated again for renewed application on the container (1, 2).

Description

Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine sowie Wärmekraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens Method for operating a heat engine and heat engine for carrying out the method
Technisches GebietTechnical area
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.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.
Stand der TechnikState of the art
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.In order to be able to operate steam turbines even with small temperature differences between the heat source and the heat sink, organic working fluids are used. These operating processes, known as Rankine cycle organic processes, are advantageous prerequisites for converting heat at a low temperature level into mechanical work, because the upper limit curve for the saturated steam in the temperature / entropy diagram assumes a largely isotropic course. However, the steam turbines usually used for this purpose can not meet the requirements for the lowest possible yield of the mechanical work from the heat.
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 ErfindungThe 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
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.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.
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.According to these measures, 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. As hydraulic machines in particular liquid turbines come into consideration. But it could also be used hydraulic motors for this purpose.
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.By applying the liquid with saturated steam of the working fluid in the pressure vessel and the consequent fluid action of the hydraulic machine in the intermediate container arise in comparison to the application of reciprocating simple design conditions, because the generally required implementation of a reciprocating lifting movement is omitted in a rotary motion. In addition, large displacement volumes can be made available in a simple way, which allows comparatively long cycle times.
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.Particularly advantageous process conditions arise when the condensed working fluid is pumped into the pressure vessel and evaporated with the aid of the heated liquid in the direct heat exchange. In this case, not only good heat transfer conditions can be ensured on the working fluid, but also separate heat exchanger for evaporation of the working fluid are unnecessary. It is only to heat the liquid to a temperature that should be only slightly above that of the working fluid to allow heat to enter the working fluid at a correspondingly high temperature level and thus to ensure high efficiency.
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.So that 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. Of course, 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.
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.For carrying out the method, a heat engine with at least one working medium circuit can be used, 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.
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.By means of the evaporating 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. For heating the liquid to a temperature above the boiling point of the working Tels can be used 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.
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.Thus, 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.
Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing
Anhand der Zeichnung wird das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert.Reference to the drawing, the inventive method is explained in detail.
Es zeigenShow it
Fig. 1 eine Wärmekraftmaschine zur Durchführung des erfindungsgemäßenFig. 1 is a heat engine for carrying out the invention
Verfahrens in einem vereinfachten Blockschaltbild und Fig. 2 einen als Wärmetauscher ausgebildeten Druckbehälter ebenfalls in einem schematischen Blockschaltbild.Method in a simplified block diagram and Fig. 2 designed as a heat exchanger pressure vessel also in a schematic block diagram.
Weg zur Ausführung der ErfindungWay to carry out the invention
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.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. Instead of an organic working fluid but could also be used ammonia. With the help of this pressurized fluid, 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.
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.At the intermediate container 7, 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. For heating the liquid 3 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.
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.As can be seen from FIG. 2, the pressure vessels 1, 2 can form the heat exchangers 17 themselves to simplify the design. For this purpose, 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.
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.To obtain mechanical work from the liquid 3 via the heat exchanger 17 heat supplied to one of the two pressure vessels 1, 2, for example, filled with liquid 3 pressure vessel 1, 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 Beaufschlagungsleitung 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.
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. 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. After filling the pressure vessel 1 and then closing the check valve 12, 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. However, 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. In the drawing, this circumstance is indicated by the fact that the pressure vessel 2 is shown during the filling with liquid 3 from the intermediate container 7 via the open check valve 12. It need not be emphasized that the uniform loading of the hydraulic machine 6 can be improved with the number of pressure vessels. When providing a plurality of pressure vessel, it may be necessary to shorten the time for filling the pressure vessel with liquid from the intermediate container. For this purpose, 3 corresponding pumps can be used for the return of the liquid.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
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.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, characterized in that by means of a liquid (3) through the tensioned Steam (4) of the working fluid (5) in at least one pressure vessel (1, 2) is pressurized, in an intermediate container (7) arranged hydraulic machine (6), preferably a liquid turbine, is acted upon and that after the application of the hydraulic Machine (6) with the liquid (3) from the pressure vessel (1, 2) of the pressure vessel (1, 2) connected to the intermediate container (7) for relaxing the vapor (4) on the steam side and in the intermediate container (7) collected liquid ( 3) via a return line (11) in the pressure vessel (1, 2) is recirculated before the expanded steam (4) of the working fluid (5) from the Condensation tank (7) condensed and re-evaporated to re-pressurize the pressure vessel (1, 2).
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.2. The method according to claim 1, characterized in that the condensed working fluid (5) in the pressure vessel (1, 2) is pumped and evaporated with the aid of the heated liquid (3) in the direct heat exchange.
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.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that at least two pressure vessels (1, 2) are used, of which one is alternately filled with liquid (3), while the other with the tensioned steam (4) of the working means (5 ) is applied.
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.4. Heat engine with at least one working fluid circuit containing an evaporator, a relaxation device and a capacitor, characterized in that the evaporator at least one Liquid (3) receiving pressure vessel (1, 2) with a connecting line (10) which feeds an admission line (9) for a hydraulic machine (6), preferably a liquid turbine, within an intermediate container (7), the one by a valve-controlled Return line (11) with the pressure vessel (1, 2) connected to the collecting space for the liquid (3) and to the condenser (13) for the steam (4) of the working fluid (5) is connected.
5. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter (1 , 2) einen Wärmetauscher (17) zur Erwärmung der Flüssigkeit (3) aufweist oder bildet.5. Heat engine according to claim 4, characterized in that the pressure vessel (1, 2) has a heat exchanger (17) for heating the liquid (3) or forms.
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. 6. Heat engine according to claim 4 or 5, characterized in that the return line (11) between the intermediate container (7) and the pressure vessel (1, 2) from the buoyancy in the pressure vessel (1, 2) operable check valve (12).
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