WO2014086637A1 - Verfahren und vorrichtung zur energieumwandlung und wassergewinnung - Google Patents

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WO2014086637A1
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air
water
heat exchanger
compressor
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Uwe Lenk
Alexander Tremel
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F24F5/0085—Systems using a compressed air circuit
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
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    • F01K3/004—Accumulation in the liquid branch of the circuit
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
    • F22B1/02—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers
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    • F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
    • F25B9/004—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant the refrigerant being air
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    • F24F2203/00—Devices or apparatus used for air treatment
    • F24F2203/02—System or Device comprising a heat pump as a subsystem, e.g. combined with humidification/dehumidification, heating, natural energy or with hybrid system
    • F24F2203/021—Compression cycle
    • F24F2203/023—Compression cycle with turbine used for expansion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B2339/00—Details of evaporators; Details of condensers
    • F25B2339/04—Details of condensers
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/14—Combined heat and power generation [CHP]

Definitions

  • the invention relates to a method for energy conversion and water extraction.
  • cooling or cooling power is increasingly needed for building air conditioning and other applications.
  • refrigeration is produced in compression refrigerators, absorption chillers, and adsorption chillers. These different chillers are driven predominantly by electric motors, so that occurs during peak load times, especially during the daytime, a high load on the power grid ⁇ .
  • the invention is therefore based on the object of specifying a method for energy conversion, with which the provision of cold can be simplified.
  • a method for energy conversion and water extraction is provided with the following steps: compressing air in a compressor, extracting part of the thermal energy contained in the compressed air in a heat exchanger, relaxing and cooling the compressed air in a turbine downstream of the compressor Regulating the turbine such that the air after expansion has a temperature above 0 ° C, capturing water vapor condensed in the turbine and using the trapped water in a refrigeration process.
  • a compressor ⁇ SEN is preferably electrically Toggle driven and produces compressed and hot air. Condensation of the water vapor is prevented by the compression heat generated during compression. In a saucetau ⁇ shear, which is arranged between the compressor and turbine, the compressed air, a portion of the heat energy contained is withdrawn.
  • the heat exchanger is designed as an air-water heat exchanger. After passing through the heat exchanger, the air is expanded in the turbine and cools down.
  • the turbine is controlled so that the air after expansion has a temperature above 0 ° C, so that a freezing of water is avoided. Vorzugswei se the temperature is set to about 4 ° C.
  • the ex ⁇ pansion of the air in the turbine cools off, so what ⁇ serdampf and / or humidity in the turbine can be recovered and condensable than water.
  • the collected water is used in a cooling process, for example for Ge ⁇ bäudemaschinetmaschine.
  • the expanded, cooled air is also used in a cooling process after passing through the turbine.
  • the corresponding ⁇ both the condensed water vapor Bezie ⁇ hung as the collected water and the cooled air can be used in a cooling process.
  • a development of the invention may provide that the cooled air after passing through the turbine passes through a further heat exchanger, which may be formed as an air-water heat exchanger to cool water, wherein the cooled water is stored in a cold water storage.
  • the storage of the cooled water in the chilled water storage makes it possible to generate the cooled water at a certain time and to use it at a later time. For example, the cooled water can be generated at night and be used for building air conditioning the next day.
  • the inventive method is particularly efficient when the temperature of the expanded air after passing through the turbine has a temperature between 2 ° C and 6 ° C, preferably before ⁇ the temperature of the expanded air is approximately 4 ° C. The temperature is adjusted so that ei ⁇ ne maximum cooling is achieved without that it comes to Ausfrie ⁇ ren of water within the turbine.
  • the compressor and the turbine are connected via a common shaft. Accordingly have the compressor and turbine in this variant always on the ⁇ same speed.
  • the compressor and the turbine are not connected via a common shaft and can be operated at different rotational speeds.
  • the (first) heat exchanger is arranged between the compressor and turbine. If the compressor and the turbine are operable at different speeds, they are easier to operate in an optimum operating range.
  • a generator is connected downstream to convert contained in the expanded air ⁇ ki netic energy into electricity.
  • the generator a part of the electrical drive power required for the compressor can be recovered.
  • the inventive method is particularly suitable for environments with high humidity, preferably we ⁇ statutorys 70% or 80% and / or environmental conditions with high temperatures, which are preferably at least 30 ° C or 40 ° C. At these temperature and humidity conditions, the recoverable by means of the method according to the invention amount of water is significant, so that the erfindungsge Permitted method can be used specifically for the recovery of water from humidity.
  • heat which is withdrawn from the arranged between the compressor and turbine heat exchanger is used in a steam cycle by pressure water formed in the heat exchanger is expanded to produce steam, which drives a steam turbine, preferably with a Generator is coupled to generate electricity.
  • an Organic Rankine Cycle (ORC) may be used to recover a portion of the electrical drive energy used for the compressor.
  • ORC Organic Rankine Cycle
  • the pressure water formed in the between the compressor and turbine angeord ⁇ Neten heat exchanger is first relaxed, whereby steam is generated. This steam drives the steam turbine which is coupled to a generator. The resulting when Ent ⁇ tension of water can be fed back to the heat exchanger.
  • the steam is condensed after the turbine in a condenser and then conveyed by egg ner pump in a circuit to the heat exchanger.
  • the steam turbine can also be performed as a saturated steam turbine, in which case a partial condensation of the water already takes place in the turbine.
  • no power generation by means of the generator takes place instead, the heat contained in the steam can also be used directly for other applications.
  • a substantial improvement of the method according to the invention can be achieved if a pressurized water reservoir is provided between the heat exchanger and the steam turbine.
  • the pressurized water By storing the pressurized water, the generation of cold and the recovery of electrical energy from the pressurized water or water vapor can temporally ver sets are performed. For example, compressor and turbine can be operated at night to given if a cheaper electricity tariff to use.
  • the pressurized water stored in the pressurized water storage tank can be used to generate electricity by means of the steam turbine in the generator coupled thereto. Accordingly, the present invention procedural ⁇ ren which allows a very flexible operation, which can be adapted to the current need.
  • the invention relates to a device for energy conversion and water extraction, which is suitable for carrying out the method described.
  • the apparatus comprises: an electrically drivable compressor for compressing ambient air, a heat exchanger to extract heat from the compressed air, a turbine downstream of the compressor to depressurize and cool the compressed air.
  • the device according to the invention is characterized in that the turbine is controlled so that the air after Ex ⁇ pansion has a temperature above 0 ° C and that the device has a means for collecting condensed water vapor.
  • the term "means for collecting condensed water vapor” may be formed as a container or storage in which the water is collected, but it may also be formed as a conduit through which the water is conveyed to this immediately, without prior storage, in to use a cooling process. the same applies to the obtained at the transition from ⁇ the turbine expanded cold air, which is used as process air for cooling.
  • Fig. 1 shows a device according to the invention, for the
  • Fig. 2 shows a device according to the invention, for the
  • the apparatus 1 shown in Fig. 1 for energy conversion and water extraction comprises a compressor 2, which is driven by an electric motor 3. By means of the compressor 2 ambient air 4 is compressed. The compressed and hot air then passes through a heat exchanger 5, which is designed as an air-water heat exchanger. In the heat exchanger 5 of the compressed air, a part of the heat energy contained is withdrawn, this heat energy is transferred to water flowing through the heat exchanger 5.
  • compressor 2 and turbine 6 are not coupled together in the embodiment shown in FIG. 1 via a common Wel ⁇ le, accordingly, compressor 2 and turbine 6 can be operated at different speeds. Likewise, the compressor 2 and the turbine 6 may be arranged at a certain spatial distance from each other.
  • the device 1 is particularly well suited for operation at high ambient temperatures and high humidity. In this embodiment is of an ambient temperature of 40 ° C and a humidity of 80% went out. Such environmental conditions occur, for. B. in the Arab world often.
  • Fig. 1 it can be seen that the arranged between the compressor 2 and the turbine 6 heat exchanger 5 is part of a steam circuit 10.
  • the illustrated water vapor ⁇ circulation 10 is merely an example to understand, alter ⁇ natively, another cycle could be provided, for.
  • an Organic Rankine Cycle to recover some of the electrical energy used for compaction.
  • the compressed in the compressor 2 hot air gives off a portion of their heat energy to a liquid such as water, which flows through the heat exchanger 5.
  • a heat extraction 11 By relaxing the pressurized water in the steam cycle 10, steam is generated which drives a steam turbine 12, which in turn is coupled to a generator 13 for power generation.
  • steam can be generated directly in the heat exchanger 5, if this is designed as a steam generator. Subsequently, after passing through the steam turbine 12, the steam is condensed in a condenser 14 and returned to the inlet of the heat exchanger 5 by means of a pump 15. Other components that are necessary for a steam cycle (eg, feed water tanks, valves) are not shown in FIG.
  • both heat and cold by a process based on a turbine are generated.
  • a gas turbine are generated.
  • water can be extracted from atmospheric moisture in this way.
  • Fig. 2 shows a second embodiment of a Vorrich ⁇ tung 16 for energy conversion, which is also suitable for carrying out the method for energy conversion.
  • the device 16 comprises the compressor 2 for compressing ambient air 4, the turbine 6 and the heat exchanger 5 arranged between the compressor 2 and the turbine 6. Between the heat exchanger 8 and the building 9 is deviating from the first embodiment, a cold water storage 17 arranged, which serves as a reservoir for chilled water. The provision the chilled water storage 17 makes it possible to provide the cooled water at a certain time and to use it at a later time for cooling the building 9. Accordingly, the device 16 can be operated at a convenient time, e.g. B. at night or when a large
  • the cooled water stored in the cold water storage 17 can be used for cooling at a later time, e.g. For example, during the day when there is a high demand for cooling power for air conditioning in the building.
  • the device 16 shown in Fig. 2 also includes a steam circuit 18, which includes the steam turbine 12 with genera ⁇ tor 13 and the capacitor 14 and the pump 15.
  • a pressurized water reservoir 19 is provided, which is arranged between the heat exchanger 5 and the steam turbine 12. Accordingly, the pressure water storage tank, during operation of the compressor 2 by means of the heat exchanger 5 are "ge ⁇ load" until it is filled with hot, pressurized water. The presence of the pressure water reservoir 19 allows the therein stored water later than a to use ⁇ direct time for the water-steam cycle, to produce in this manner electricity.
  • the cold water storage tank 17 for storing energy (cold water) used in a water tank
  • the pressure water storage tank 19 for storing energy in the form of use of pressurized water as an additional water storage tank.
  • the recovery (reconversion) in the steam turbine and the heat recovery can offset in time or carried out independently of the operation of the compaction ⁇ ters 2 and the turbine 6.
  • These components may, for. example, at night under reduced electricity price in operation be, during the day can then by means of d he steam turbine 13 power to cover peak loads are generated.
  • the device 16 allows the storage of cold in a cold water storage.
  • the cold at night produced continu ⁇ ously and can during the day, especially for lunch time to be used for the air conditioning of a building. Accordingly, in the device 16, a separation of power consumption and current output or of heat and cooling output, whereby a very flexible operation is possible.

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Abstract

Verfahren zur Energieumwandlung und Wassergewinnung, mit den folgenden Schritten: - Verdichten von Luft in einem Verdichter; - Entziehen eines Teils der in der verdichteten Luft enthaltenen Wärmeenergie in einem Wärmetauscher; - Entspannen und Abkühlen der verdichteten Luft in einer dem Verdichter nachgeschalteten Turbine; - Regeln der Turbine, derart, dass die Luft nach der Expansion eine Temperatur über 0 °C aufweist; - Auffangen von in der Turbine kondensiertem Wasserdampf; und - Verwenden des aufgefangenen Wassers in einem Kühlprozess.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Energieumwandlung und Wassergewinnung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Energieumwandlung und Wassergewinnung.
In vielen Teilen der Erde wird in steigendem Maße Kälte beziehungsweise Kühlleistung zur Gebäudeklimatisierung sowie für andere Anwendungszwecke benötigt. Auf herkömmlichem Wege wird Kälte in Kompressionskältemaschinen, Absorptionskältemaschinen und Adsorptionskältemaschinen erzeugt. Diese unterschiedlichen Kältemaschinen werden überwiegend durch Elektromotoren angetrieben, so dass während Spitzenlastzeiten, insbesondere tagsüber, eine hohe Belastung des Stromnetzes auf¬ tritt .
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Energieumwandlung anzugeben, mit dem die Bereitstellung von Kälte vereinfacht werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren zur Energieumwandlung und Wassergewinnung mit den folgenden Schritten vorgesehen: Verdichten von Luft in einem Verdichter, Entziehen eines Teils der in der verdichteten Luft enthaltenen Wärmeenergie in einem Wärmetauscher, Entspannen und Abkühlen der verdichteten Luft in einer dem Verdichter nachgeschalteten Turbine, Regeln der Turbine, derart, dass die Luft nach der Expansion eine Temperatur über 0 °C aufweist, Auffangen von in der Turbine kondensiertem Wasserdampf und Verwenden des aufgefangenen Wassers in einem Kühlprozess.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass auf her¬ kömmliche, elektrisch angetriebene Kältemaschinen verzichtet werden kann, indem stattdessen ein Kraftwerksprozess mit einer Turbomaschine durchgeführt wird. Bei dem erfindungsgemä¬ ßen Verfahren wird ein Verdichter vorzugsweise elektrisch an- getrieben und produziert verdichtete und heiße Luft. Eine Kondensation des Wasserdampfs wird durch die beim Verdichten entstehende Kompressionswärme verhindert. In einem Wärmetau¬ scher, der zwischen Verdichter und Turbine angeordnet ist, wird der verdichteten Luft ein Teil der enthaltenen Wärmeenergie entzogen. Vorzugsweise ist der Wärmetauscher als Luft-Wasser-Wärmetauscher ausgebildet. Nach dem Durchlaufen des Wärmetauschers wird die Luft in der Turbine expandiert und kühlt dabei ab. Die Turbine wird so geregelt, dass die Luft nach der Expansion eine Temperatur über 0 °C aufweist, so dass ein Ausfrieren von Wasser vermieden wird. Vorzugswei se wird die Temperatur auf ca. 4 °C eingestellt. Bei der Ex¬ pansion der Luft in der Turbine kühlt diese ab, so dass Was¬ serdampf und/oder Luftfeuchtigkeit in der Turbine kondensier und als Wasser gewonnen werden kann. Das aufgefangene Wasser wird in einem Kühlprozess verwendet, beispielsweise zur Ge¬ bäudeklimatisierung .
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann es vorgesehen sein, dass die expandierte, abgekühlte Luft nach dem Passieren der Turbine ebenfalls in einem Kühlprozess verwendet wird. Dem¬ entsprechend kann sowohl der kondensierte Wasserdampf bezie¬ hungsweise das aufgefangene Wasser als auch die abgekühlte Luft in einem Kühlprozess eingesetzt werden.
Eine Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass die abgekühlte Luft nach dem Passieren der Turbine einen weiteren Wärmetauscher durchläuft, der als Luft-Wasser-Wärmetauscher ausgebildet sein kann, um Wasser abzukühlen, wobei das abgekühlte Wasser in einem Kaltwasserspeicher gespeichert wird. Die Speicherung des abgekühlten Wassers in dem Kaltwasserspeicher ermöglicht es das gekühlte Wasser zu einem bestimmten Zeitpunkt zu erzeugen und zu einem späteren Zeitpunkt zu nutzen. Beispielsweise kann das gekühlte Wasser nachts er¬ zeugt werden und am nächsten Tag zur Gebäudeklimatisierung genutzt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders effizient, wenn die Temperatur der expandierten Luft nach dem Passieren der Turbine eine Temperatur zwischen 2 °C und 6 °C aufweist, vor¬ zugsweise beträgt die Temperatur der expandierten Luft nähe- rungsweise 4 °C. Die Temperatur wird so eingestellt, dass ei¬ ne maximale Kühlung erreicht wird, ohne dass es zum Ausfrie¬ ren von Wasser innerhalb der Turbine kommt.
Gemäß einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass der Verdichter und die Turbine über eine gemeinsame Welle verbunden sind. Dementsprechend weisen Verdichter und Turbine bei dieser Variante stets die¬ selbe Drehzahl auf.
Gemäß einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es alternativ auch vorgesehen sein, dass der Verdichter und die Turbine nicht über eine gemeinsame Welle verbunden und mit unterschiedlichen Drehzahlen betreibbar sind. Bei dieser Variante ergeben sich auch Vorteile hinsichtlich des Platzbedarfs, da zwischen Verdichter und Turbine der (erste) Wärmetauscher angeordnet ist. Wenn der Verdichter und die Turbine mit unterschiedlichen Drehzahlen betreibbar sind, können sie einfacher in einem optimalen Betriebsbereich betrieben werden.
Um das erfindungsgemäße Verfahren noch effizienter zu gestal¬ ten, kann es vorgesehen sein, dass der Turbine ein Generator nachgeschaltet ist, um in der entspannten Luft enthaltene ki¬ netische Energie in elektrischen Strom umzuwandeln. Somit kann mittels des Generators ein Teil der elektrischen Antriebsleistung, die für den Verdichter benötigt wird, zurückgewonnen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders gut für Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit, die vorzugsweise we¬ nigstens 70 % oder 80 % beträgt und/oder für Umgebungsbedingungen mit hohen Temperaturen, die vorzugsweise wenigstens 30 °C oder 40 °C betragen. Bei diesen Temperatur- und Feuchtebe- dingungen ist die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens gewinnbare Wassermenge signifikant, so dass das erfindungsge mäße Verfahren gezielt zur Gewinnung von Wasser aus Luftfeuchtigkeit eingesetzt werden kann.
Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass Wärme, die dem zwischen Verdichter und Turbine angeordneten Wärmetauscher entzogen wird, in einem Wasserdampfkreislauf genutzt wird, indem im Wärmetauscher entstehendes Druckwasser entspannt wird, um Dampf zu erzeugen, der eine Dampfturbine antreibt, die vorzugsweise mit einem Generator zur Stromerzeugung gekoppelt ist. Anstelle eines Wasserdampfkreislaufs kann auch ein Organic Rankine Cycle (ORC) zum Rückgewinnen eines Teils der für den Verdichter eingesetzten elektrischen Antriebsenergie verwendet werden. In dem Wasserdampfkreislauf wird zunächst das in dem zwischen Verdichter und Turbine angeord¬ neten Wärmetauscher entstehende Druckwasser entspannt, wodurch Dampf erzeugt wird. Dieser Dampf treibt die Dampfturbi ne, die mit einem Generator gekoppelt ist, an. Das beim Ent¬ spannen entstehende Wasser kann wieder dem Wärmetauscher zugeführt werden. Vorzugsweise wird der Dampf nach der Turbine in einem Kondensator kondensiert und anschließend mittels ei ner Pumpe in einem Kreislauf zu dem Wärmetauscher gefördert. Optional kann die Dampfturbine auch als Sattdampfturbine aus geführt sein, wobei dann eine Teilkondensation des Wassers schon in der Turbine erfolgt. Es ist allerdings auch denkbar dass keine Stromerzeugung mittels des Generators stattfindet stattdessen kann die in dem Dampf enthaltene Wärme auch direkt für andere Anwendungen eingesetzt werden.
Eine wesentliche Verbesserung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann erzielt werden, wenn zwischen dem Wärmetauscher un der Dampfturbine ein Druckwasserspeicher vorgesehen wird. Durch Speicherung des Druckwassers kann die Erzeugung von Kälte und die Wiedergewinnung von elektrischer Energie aus dem Druckwasser beziehungsweise dem Wasserdampf zeitlich ver setzt zueinander durchgeführt werden. Beispielsweise können Verdichter und Turbine nachts betrieben werden, um gegebenen falls einen günstigeren Stromtarif zu nutzen. Tagsüber, wenn ein erhöhter Strombedarf besteht, kann das in dem Druckwasserspeicher gespeicherte Druckwasser mittels der Dampfturbine in dem damit gekoppelten Generator zur Stromerzeugung genutzt werden. Dementsprechend erlaubt das erfindungsgemäße Verfah¬ ren einen sehr flexiblen Betrieb, der an den aktuellen Bedarf angepasst werden kann.
Daneben betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Energie- Umwandlung und Wassergewinnung, die zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens geeignet ist. Die Vorrichtung umfasst: einen elektrisch antreibbaren Verdichter zum Verdichten von Umgebungsluft, einen Wärmetauscher, um der verdichteten Luft Wärme zu entziehen, eine dem Verdichter nachgeschaltete Tur- bine, um die verdichtete Luft zu entspannen und abzukühlen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Turbine so geregelt ist, dass die Luft nach der Ex¬ pansion eine oberhalb 0 °C liegende Temperatur aufweist und dass die Vorrichtung ein Mittel zum Auffangen von kondensiertem Wasserdampf aufweist.
Der Begriff „Mittel zum Auffangen von kondensiertem Wasserdampf" kann als Behälter oder Speicher ausgebildet sein, in dem das Wasser gesammelt wird, es kann jedoch auch als Rohrleitung ausgebildet sein, durch die das Wasser gefördert wird, um dieses unmittelbar, ohne vorherige Speicherung, in einem Kühlprozess zu verwenden. Dasselbe gilt für die am Aus¬ gang der Turbine anfallende expandierte kalte Luft, die als Prozessluft zur Kühlung nutzbar ist.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird es bevorzugt, dass der dem Verdichter nachgeschaltete Wärmetauscher an die
Dampfturbine angeschlossen ist, die mit dem Generator zur Stromerzeugung gekoppelt ist. Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die für die
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist gemäß einem ersten Ausführungsbei- spiel; und
Fig. 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die für die
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist gemäß einem zweiten Ausführungsbei- spiel.
Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung 1 zur Energieumwandlung und Wassergewinnung umfasst einen Verdichter 2, der durch einen Elektromotor 3 angetrieben wird. Mittels des Verdichters 2 wird Umgebungsluft 4 verdichtet. Die verdichtete und heiße Luft durchläuft anschließend einen Wärmetauscher 5, der als Luft-Wasser-Wärmetauscher ausgebildet ist. In dem Wärmetauscher 5 wird der verdichteten Luft ein Teil der enthaltenen Wärmeenergie entzogen, diese Wärmeenergie wird auf Wasser übertragen, das den Wärmetauscher 5 durchströmt.
Nach dem Passieren des Wärmetauschers 5 wird die abgekühlte, verdichtete Luft in einer Turbine 6 entspannt und weiter ab¬ gekühlt. Verdichter 2 und Turbine 6 sind bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel nicht über eine gemeinsame Wel¬ le miteinander gekoppelt, dementsprechend können Verdichter 2 und Turbine 6 mit unterschiedlichen Drehzahlen betrieben werden. Ebenso können der Verdichter 2 und die Turbine 6 in einem gewissen räumlichen Abstand voneinander angeordnet sein. Die Vorrichtung 1 eignet sich besonders gut für den Betrieb bei hohen Umgebungstemperaturen und gleichzeitig hoher Luftfeuchtigkeit. In diesem Ausführungsbeispiel wird von einer Umgebungstemperatur von 40 °C und einer Luftfeuchtigkeit von 80 % ausgegangen. Derartige Umgebungsbedingungen treten z. B. im arabischen Raum häufig auf.
Als Folge der Expansion und der Abkühlung der komprimierten Luft in der Turbine 6 kondensiert Wasserdampf nach dem Pas¬ sieren der Turbine 6. Der Wärmeaustrag im Wärmetasucher 5 und die Turbine 6 werden dabei so geregelt, dass die Luft nach der Expansion eine Temperatur über 0 °C aufweist. Durch diese Maßnahme soll vermieden werden, dass Wasser innerhalb der Turbine 6 ausfriert. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Temperatur auf ca. 4 °C eingestellt. Während des Be¬ triebs der Turbine 6 kondensiert permanent Wasserdampf, das aufgefangene Wasser wird in einem Kühlprozess verwendet. Be¬ zugszeichen 7 zeigt schematisch die Wassergewinnung am Aus- gang der Turbine 6. Die Vorrichtung 1 und das beschriebene Verfahren eignen sich somit zur Gewinnung von kaltem Wasser aus Umgebungsluft unter der Voraussetzung, dass die Umge¬ bungsluft eine hohe Luftfeuchtigkeit aufweist. Zusätzlich zu dem gekühlten Wasser, das am Ausgang der Turbine 6 anfällt, kann auch die abgekühlte entspannte Luft ver¬ wendet werden, die einen Wärmetauscher 8 passiert, der der Turbine 6 nachgeschaltet ist. Mittels des Wärmetauschers 8 kann ein anderer Flüssigkeitskreislauf gekühlt werden, um z. B. ein Gebäude 9 zu klimatisieren, das heißt zu kühlen. Nachdem die Luft den Wärmetauscher 8 passiert hat, bleibt trocke¬ ne Abluft übrig, die eventuell weiter genutzt werden kann.
In Fig. 1 erkennt man, dass der zwischen dem Verdichter 2 und der Turbine 6 angeordnete Wärmetauscher 5 Bestandteil eines Wasserdampfkreislaufs 10 ist. Der dargestellte Wasserdampf¬ kreislauf 10 ist lediglich beispielhaft zu verstehen, alter¬ nativ könnte auch ein anderer Kreisprozess vorgesehen werden, z. B. ein Organic Rankine Cycle, um einen Teil der für die Verdichtung eingesetzten elektrischen Energie zurückzugewinnen . In dem Wasserdampf reislauf 10 gibt die in dem Verdichter 2 verdichtete heiße Luft einen Teil ihrer Wärmeenergie an eine Flüssigkeit wie Wasser ab, die den Wärmetauscher 5 durchströmt. Nach dem Passieren des Wärmetauschers 5 kann optional eine Wärmeauskopplung 11 vorgesehen sein. Durch Entspannen des Druckwassers in dem Wasserdampfkreislauf 10 wird Dampf erzeugt, der eine Dampfturbine 12 antreibt, die wiederum mit einem Generator 13 zur Stromerzeugung gekoppelt ist. Alternativ kann direkt im Wärmetauscher 5 Dampf erzeugt werden, wenn dieser als Dampferzeuger ausgeführt ist. Anschließend, nach dem Passieren der Dampfturbine 12, wird der Wasserdampf in einem Kondesator 14 kondensiert und mittels einer Pumpe 15 wieder dem Zulauf des Wärmetauschers 5 zugeführt. Weitere Komponenten, die für einen Wasserdampfkreislauf notwendig sind (z. B. Speisewasserbehälter, Ventile) sind in Fig. 1 nicht gezeigt.
Mittels der Vorrichtung 1 können sowohl Wärme als auch Kälte durch einen Prozess auf Basis einer Turbine, z. B. einer Gas- turbine, erzeugt werden. An Standorten mit Wassermangel kann auf diese Weise Wasser aus Luftfeuchtigkeit gewonnen werden.
Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrich¬ tung 16 zur Energieumwandlung, die ebenfalls für die Durch- führung des Verfahrens zur Energieumwandlung geeignet ist.
Diejenigen Komponenten des Ausführungsbeispiels von Fig. 2, die mit denjenigen des ersten Ausführungsbeispiels überein¬ stimmen, werden an dieser Stelle nicht nochmals im Detail be- schrieben.
In Übereinstimmung mit dem ersten Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung 16 den Verdichter 2 zum Verdichten von Umgebungsluft 4, die Turbine 6 und den zwischen Verdichter 2 und Turbine 6 angeordneten Wärmetauscher 5. Zwischen dem Wärmetauscher 8 und dem Gebäude 9 ist abweichend zu dem ersten Ausführungsbeispiel ein Kaltwasserspeicher 17 angeordnet, der als Vorratsbehälter für gekühltes Wasser dient. Das Vorsehen des Kaltwasserspeichers 17 ermöglicht es, das gekühlte Wasser zu einem bestimmten Zeitpunkt bereitzustellen und zu einem späteren Zeitpunkt zur Kühlung des Gebäudes 9 zu nutzen. Dementsprechend kann die Vorrichtung 16 zu einem günstigen Zeit- punkt betrieben werden, z. B. nachts oder wenn ein großes
Stromangebot durch regenerative Energien zur Verfügung steht. Das in dem Kaltwasserspeicher 17 gespeicherte gekühlte Wasser kann andererseits zu einem späteren Zeitpunkt zur Kühlung genutzt werden, z. B. tagsüber, wenn ein hoher Bedarf an Kälte- leistung zur Gebäudeklimatisierung vorhanden ist.
Die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung 16 umfasst ebenfalls einen Wasserdampfkreislauf 18, der die Dampfturbine 12 mit Genera¬ tor 13 sowie den Kondensator 14 und die Pumpe 15 umfasst. Zu- sätzlich ist ein Druckwasserspeicher 19 vorgesehen, der zwischen dem Wärmetauscher 5 und der Dampfturbine 12 angeordnet ist. Dementsprechend kann der Druckwasserspeicher während des Betriebs des Verdichters 2 mittels des Wärmetauschers 5 „ge¬ laden" werden, bis er mit heißem, unter Druck stehendem Was- ser gefüllt ist. Das Vorhandensein des Druckwasserspeichers 19 gestattet es, das darin gespeicherte Wasser zu einem spä¬ teren Zeitpunkt für den Wasserdampfkreislauf zu nutzen, um auf diese Weise elektrischen Strom zu erzeugen. Bei der Vorrichtung 16 wird somit der Kaltwasserspeicher 17 zum Speichern von Energie (Kaltwasser) in einem Wasserspeicher genutzt, daneben wird der Druckwasserspeicher 19 zum Speichern von Energie in Form von Druckwasser als weiterer Wasserspeicher benutzt. Die Wiedergewinnung (Rückverstromung) in der Dampfturbine und die Wärmenutzung können zeitlich versetzt beziehungsweise unabhängig von dem Betrieb des Verdich¬ ters 2 und der Turbine 6 erfolgen. Diese Komponenten können z. B. nachts bei reduziertem Strompreis in Betrieb sein, tagsüber kann anschließend mittels der Dampfturbine 13 Strom zur Deckung von Spitzenlasten erzeugt werden. Zudem wird durch die Vorrichtung 16 die Speicherung von Kälte in einem Kaltwasserspeicher ermöglicht. Die Kälte wird nachts kontinu¬ ierlich erzeugt und kann tagsüber, insbesondere zur Mittags- zeit, zur Klimatisierung eines Gebäudes eingesetzt werden. Dementsprechend erfolgt bei der Vorrichtung 16 eine Trennung von Stromaufnahme und Stromabgabe beziehungsweise von Wärme- und Kälteabgabe, wodurch ein sehr flexibler Betrieb möglich wird.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge- schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Energieumwandlung und Wassergewinnung, mit den folgenden Schritten:
- Verdichten von Luft in einem Verdichter;
- Entziehen eines Teils der in der verdichteten Luft enthaltenen Wärmeenergie in einem Wärmetauscher;
- Entspannen und Abkühlen der verdichteten Luft in einer dem Verdichter nachgeschalteten Turbine;
- Regeln der Turbine, derart, dass die Luft nach der Ex¬ pansion eine Temperatur über 0 °C aufweist;
- Auffangen von in der Turbine kondensiertem Wasserdampf; und
- Verwenden des aufgefangenen Wassers in einem Kühlpro- zess .
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die expandierte, abgekühlte Luft nach dem Passieren der Turbine ebenfalls in einem Kühlprozess verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die abgekühlte Luft nach dem Passieren der Turbine einen Wärmetauscher durchläuft, um Wasser abzukühlen, wobei das abgekühlte Wasser in einem Kaltwasser- Speicher gespeichert wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der expandierten Luft nach dem Passieren der Turbine eine Temperatur zwischen 2 °C und 6 °C aufweist, vorzugsweise näherungs¬ weise 4 °C.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter und die Turbi¬ ne über eine gemeinsame Welle verbunden sind.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter und die Turbine nicht über eine gemeinsame Welle verbunden und mit unter¬ schiedlichen Drehzahlen betreibbar sind.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbine ein Generator nachgeschaltet ist, um in der entspannten Luft enthalte¬ ne kinetische Energie in elektrischen Strom umzuwandeln.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es bei hoher Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft, vorzugsweise wenigstens 70 % oder 80 %, und/oder bei hoher Temperatur der Umgebungsluft, vorzugsweise wenigstens 30 °C oder 40 °C, durchgeführt wird .
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Wärme, die dem zwischen Ver¬ dichter und Turbine angeordneten Wärmetauscher entzogen wird, in einem Wasserdampfkreislauf genutzt wird, indem im Wärmetauscher entstehendes Druckwasser entspannt wird, um Dampf zu erzeugen, der eine Dampfturbine an¬ treibt, die vorzugsweise mit einem Generator zur Stro¬ merzeugung gekoppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampf nach dem Passieren der Dampfturbine zumindest teilweise in einem Kondensator kondensiert und vorzugs¬ weise dem Wärmetauscher wieder in einem Kreislauf zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeich net, dass in dem Wasserdampfkreislauf ein Druckwasser¬ speicher verwendet wird, der zwischen dem Wärmetausche und der Dampfturbine angeordnet ist.
Vorrichtung (1, 16) zur Energieumwandlung und Wassergewinnung, die zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 geeignet ist, umfassend: - einen elektrisch antreibbaren Verdichter (2) zum Verdichten von Umgebungsluft, einen Wärmetauscher (5) , um der verdichteten Luft Wärme zu entziehen,
- eine dem Verdichter (5) nachgeschaltete Turbine (6), um die verdichtete Luft zu entspannen und abzukühlen, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (6) so geregelt ist, dass die Luft nach der Expansion eine oberhalb 0 °C liegende Temperatur aufweist und dass die Vorrichtung (1, 16) ein Mittel zum Auffangen von kondensiertem Wasserdampf aufweist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das am Ausgang der Turbine (6) anfallende Wasser und die expandierte kalte Luft als Prozesswasser bzw. Prozessluft zur Kühlung nutzbar sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Verdichter (2) nachgeschaltete Wärmetauscher (5) an eine Dampfturbine (12) angeschlos¬ sen ist, die mit einem Generator (13) zur Stromerzeugung gekoppelt ist.
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