WO2017219052A1 - Assembly for converting thermal energy into kinetic or electric energy - Google Patents

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WO2017219052A1
WO2017219052A1 PCT/AT2016/000068 AT2016000068W WO2017219052A1 WO 2017219052 A1 WO2017219052 A1 WO 2017219052A1 AT 2016000068 W AT2016000068 W AT 2016000068W WO 2017219052 A1 WO2017219052 A1 WO 2017219052A1
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WO
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turbine
fluid
heat exchanger
motor
energy
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PCT/AT2016/000068
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German (de)
French (fr)
Inventor
Siegfried Prugner
Michael ROHRMAIR
Adolf PRUGNER
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CZADUL, Julia
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01KSTEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/04Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled condensation heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22STEAM GENERATION
    • F22BMETHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B1/00Methods of steam generation characterised by form of heating method
    • F22B1/006Methods of steam generation characterised by form of heating method using solar heat

Definitions

  • the present invention relates to a device for converting thermal energy into motive or electrical energy with a first heat exchanger in which a fluid flowing therethrough is heated, after which the pressurized and gaseous fluid is supplied to a motor or to a turbine coupled to a generator in which the thermal energy of the fluid is converted into motion or electrical energy.
  • a turbine is supplied, which with a generator for generating electrical energy
  • a motor for the provision of
  • the present invention therefore aims to avoid or at least reduce the abovementioned disadvantages of known systems and in particular to increase the efficiency of such a system or arrangement for converting thermal energy into motive or electrical energy, in order in particular to use those
  • the motor or the turbine is followed by at least one further motor or another turbine, in which (r) a conversion of thermal energy into motive or electrical energy with respect to the upstream stage of a motor or a turbine reduced temperature - and or Pressure level is performed.
  • the first stage which comprises at least one heat exchanger and an associated or associated motor or an associated turbine, at least one further motor or a further turbine is connected downstream, succeeds in the fluid after passing through the motor or the Use first stage turbine corresponding residual energy accordingly, since in the
  • Movement or electrical energy is carried out or carried out in relation to the preceding stage reduced temperature and / or pressure level.
  • the downstream engine or the downstream turbine thus remaining in the fluid after passing through the first stage residual energy level can be used accordingly, so that the efficiency of such an inventive arrangement, which at least one further stage of an engine or
  • Motion or electrical energy includes, compared to known single-stage systems can be increased.
  • Heat exchanger can be fed, in which the after
  • downstream stage are used to be used at least partially raised fluid, so that in such a way the overall efficiency of the invention
  • Downstream stage used fluid is hereby advantageously the residual energy
  • downstream stage is preferably brought to the vapor state.
  • associated motor or an associated turbine can be in a cascade-like arrangement
  • Provision of heat energy can be supplied to external consumers, as a further preferred
  • Embodiment of the arrangement according to the invention corresponds.
  • the fluid is guided in a closed circuit through the plurality of at least one respective heat exchanger and a motor or a turbine having stages.
  • inventive arrangement can be optimized. To further improve the efficiency and to optimize the structural design of the
  • fluids have at least partially different chemical and physical properties.
  • a fluid in a fluid circuit of the first stage has a higher boiling point than a fluid in a fluid circuit of at least one
  • the fluids in a conventional manner of water or organic media, such as hydrocarbons or silicone oils
  • At least one heat exchanger is flowed through in counterflow of fluids of different stages, as corresponds to a further preferred embodiment.
  • the at least one heat exchanger of a downstream stage thus the residual heat of the fluid or of the fluids two different stages preceded to
  • one after the other two heat exchangers can be fed.
  • the fluid is thus heated in two stages, namely first in a first of the two further heat exchangers and then in a second of the two further heat exchangers.
  • the first of the two further heat exchangers may be used to heat the fluid in the liquid state
  • the second of the two further heat exchangers may be used to evaporate the fluid heated in the first heat exchanger.
  • the fluid may already be evaporated in the first heat exchanger so that the second heat exchanger can be used to overheat the steam.
  • Another advantage is that the supplied for the operation of the second heat exchanger external Energy according to the respective needs,
  • Efficiency is operated to operate the engine or the turbine of the upstream stage.
  • the mass flow of the working fluid to be heated or evaporated of the respective stage can also be varied, in particular with regard to achieving optimum performance of the engine or of the turbine.
  • the energy supplied externally via the second heat exchanger can thus be selected in the second and optionally further downstream stage (s) such that in each of the downstream stages an optimization of the energy conversion in the engine or turbine independent of the other stages takes place succeed.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a first embodiment of an inventive arrangement for converting thermal energy into motive or electrical energy
  • Fig. 2 in a similar to Fig. 1 representation of a modified embodiment of a inventive arrangement for converting thermal energy into motive or electrical energy
  • FIG. 3 again, similar to the representation according to FIG. 1, shows a further modified embodiment of a device according to the invention
  • a plant for converting thermal energy into motion or electrical energy is generally denoted by 1, wherein in a first stage, a heat exchanger 2 is provided, with which, for example via a non-illustrated solar device via a supply line 3, an energy supply he follows.
  • a heat exchanger 2 heating or heating of a fluid supplied via a line 4, which subsequently takes the form of high-pressure steam via a line 5 of a turbine 6, takes place
  • the turbine 6 is coupled to a generator 7.
  • turbine 6 is a conversion or conversion of thermal energy, as they mediate the heat exchanger 2 for
  • Coupled may also be provided for converting the thermal energy, a motor with which a conversion the thermal energy is provided in kinetic energy.
  • the emerging from the turbine 6 fluid is supplied via a line 8 to a further heat exchanger 9, in which a heating or heating of a
  • Fluid line 10 supplied fluid is made in countercurrent. This fluid is in turn converted in the heat exchanger 9 into a high-pressure steam, which is supplied via a line 10 to a further turbine 11, which, like the turbine 6, is in turn coupled to a generator 12.
  • a heat exchanger 2 or 9 is provided for providing high-pressure steam, which is subsequently supplied to a downstream turbine 6 or 11, in the embodiment shown in FIG. 1, a further heat exchanger 13 a further stage provided in which via a supply line 14 supplied fluid
  • a further heat exchanger 19 is indicated in Fig. 1, which residual heat from the preceding stages in each case for the conversion of thermal Energy is supplied in moving or electrical energy, wherein the heat to be emitted in the heat exchanger 19, for example, a schematically indicated heating, for example, a floor heating 20 is supplied.
  • Residual heat exchanger 22 From the representation of FIG. 1 it can be seen that all stages of the cascade arranged
  • series-connected units for converting thermal energy into motive or electrical energy each having at least one heat exchanger 2, 9 and 13 and a turbine 6, 11 and 16 coupled thereto, are operated with a common fluid, wherein a reservoir for the common fluid 23 is indicated and for a circulation of the fluid, a pump 24th
  • the individual stages or units for converting respective thermal energy into motive or electrical energy in the embodiment according to FIG. 1 are operated, for example, using an organic medium as fluid at the following temperature parameters.
  • the fluid is withdrawn at a temperature of about 80 ° C.
  • the fluid is supplied at a temperature of about 75 ° C of the turbine 11, wherein it is discharged at a temperature of about 55 ° C from the turbine.
  • the fluid is supplied at a temperature of about 53 ° C and at a
  • Turbines with a power of about 3 kW for the turbine 6, of about 2 kW for the turbine 11 and about 1 kW for the turbine 16 are operated, so that it can be seen immediately that compared to a single-stage formation of an assembly for conversion Thermal energy in motion or electrical energy can achieve a correspondingly increased efficiency of the entire system, in particular in connection with a provision of electrical energy.
  • the stages shown in FIG. 2 are also in each case at different temperature and / or pressure levels
  • FIG. 3 another modified embodiment of an arrangement 201 for converting thermal energy into moving or electrical energy is shown, wherein again the same elements or components with a
  • Generator 207 is coupled.
  • a heat exchanger or condenser 209 and a turbine 211 and a generator 212 are provided, while in a third stage, a heat exchanger or condenser 213 and a turbine 216 and a generator 217 are provided. While in the embodiment of FIG. 1 is a common
  • Fluid is provided in all circuits or stages and are provided for the embodiment of FIG. 2 in the individual stages or circuits different fluids, in the embodiment of FIG. 3 in the first circuit, a first fluid, for example water provided while in the second and third circuit, for example, a respective identical fluid, for example, SES 36, in particular in a separate circuit is provided.
  • a further heat exchanger or evaporator 225 is provided, which as well as the first heat exchanger or evaporator 202 from the outside via a supply line 226 energy is supplied.
  • the second turbine 211 can in turn be steamed by the heat exchangers 209 and 226 arranged one behind the other increased pressure for conversion into electrical energy in the generator 212 are supplied.
  • the turbine 216 of the third stage is adjacent to the heat exchanger or
  • Heat exchanger or evaporator 227 is provided, which in turn is supplied with energy from the outside via a supply line 228 as well as in the previous stages to again the third stage fluid, for example SES 36, the turbine 216 with a correspondingly high temperature and high pressure for conversion into electrical energy in the
  • circulation pumps in the individual fluid circuits are designated by 229, 230 and 231.
  • Fluid circuits are formed as follows. in the
  • the fluid After passing through the turbine 206, the fluid passes through the second stage heat exchanger 209, where a residual heat of the fluid for heating or evaporating the fluid of the second
  • Fluid circuit is used. Thereafter, the fluid passes through the third stage heat exchanger 213, in which a
  • the fluid is used to heat the fluid of the third fluid circuit. Thereafter, the fluid is supplied via the circulation pump 229 to the heat exchanger of the first stage. In the fluid circuit of the second stage, the fluid is passed through the turbine 211 through the heat exchanger 213 of the third stage, where a residual heat of the fluid for heating or evaporation of the fluid of the third Fluid circuit is used. After that, the fluid becomes
  • the fluid is supplied via the circulation pump 230 to the heat exchangers 209 and 225 of the second stage to be brought back to the energy level required for the operation of the turbine 211.
  • the fluid is also supplied to the final heat exchanger 219 for providing heat energy to external consumers 220 and the residual heat exchanger 222 after passing through the turbine 216.
  • the fluid is supplied via the circulation pump 231 to the heat exchangers 213 and 227 of the third stage to return to that for the operation of the turbine 216
  • the turbine 206 is supplied as fluid water or water vapor at 160 ° C and a pressure of 5 bar. After the turbine, the water vapor has a
  • the second turbine becomes a different one from water
  • Fluid for example, in turn, an organic fluid, in particular SES 36 at a temperature of 100 ° C and a pressure of 5 bar, while the turbine 211 at a temperature of, for example, about 75 ° C and again leaves a slight overpressure.
  • the third turbine 216 is supplied with the fluid, for example, SES 36 at a temperature of 60 ° C, leaving the turbine at a temperature of about 35-40 ° C.
  • the first heat exchanger or evaporator 202 are about 122 kW supplied, so that the turbine 206 below
  • Condenser 209 second stage delivered to the second stage, in addition to the evaporator or
  • Heat exchanger 225 177 kW are supplied, so that the second turbine 211 a total of about 277 kW are available.
  • the third stage is the total residual heat, consisting of the liquid (condensate) from the first stage, which is received in the heat exchanger 213, and from the total heat of condensation of the fluid vapor from the turbine 211, which is also recorded in the heat exchanger 213, and on the Heat exchanger or evaporator 227 supplied additional heat and used in the third turbine 216.
  • an efficiency of about 11%, for the second turbine 211 an efficiency of about 10%, and for the third turbine 216 an efficiency of about 4% can be assumed for the first turbine 206.
  • a total energy production of approximately 43 kW of electric power can thus be achieved.

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Abstract

The invention relates to an assembly (1) for converting thermal energy into kinetic or electric energy, comprising a first heat exchanger (2) in which a fluid flowing through the heat exchanger is heated. The pressurized and gaseous fluid is then supplied to a motor or a turbine (6) coupled to a generator (7), wherein the thermal energy of the fluid is converted into kinetic or electric energy in the motor or the turbine. The motor or the turbine (6) is connected upstream of at least one additional motor or an additional turbine (11, 16), in which the thermal energy is converted into kinetic or electric energy at a lower temperature and/or pressure level than in the upstream stage of a motor or a turbine (6), whereby a correspondingly increased overall degree of efficiency of such an assembly for converting energy can be achieved.

Description

Anordnung zur Umwandlung thermischer Energie in Bewegungsoder elektrische Energie  Arrangement for converting thermal energy into motion or electrical energy
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Umwandlung thermischer Energie in Bewegungs- oder elektrische Energie mit einem ersten Wärmetauscher, in dem ein durchströmendes Fluid erhitzt wird, wonach das unter Druck stehende und gasförmige Fluid einem Motor bzw. einer mit einem Generator gekoppelten Turbine zugeführt wird, in welchem (r) die thermische Energie des Fluids in Bewegungsoder elektrische Energie umgewandelt wird. The present invention relates to a device for converting thermal energy into motive or electrical energy with a first heat exchanger in which a fluid flowing therethrough is heated, after which the pressurized and gaseous fluid is supplied to a motor or to a turbine coupled to a generator in which the thermal energy of the fluid is converted into motion or electrical energy.
Derartige Anordnungen zur Umwandlung thermischer Energie in Bewegungs- oder elektrische Energie sind in Such arrangements for the conversion of thermal energy into motive or electrical energy are in
unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt, wobei different embodiments known, wherein
beispielsweise im Zusammenhang mit einem Dampfkraftwerk Fluid, insbesondere Wasser, in wenigstens einem For example, in connection with a steam power plant fluid, in particular water, in at least one
Wärmetauscher entsprechend erhitzt und nachfolgend Heat exchanger accordingly heated and subsequently
beispielsweise einer Turbine zugeführt wird, welche mit einem Generator zur Erzeugung elektrischer Energie For example, a turbine is supplied, which with a generator for generating electrical energy
gekoppelt ist. is coupled.
Anstelle einer Turbine, welche durch eine Kopplung mit einem Generator zur Erzeugung elektrischer Energie dient, kann das erhitzte bzw. erwärmte und insbesondere gas- bzw. dampfförmige Fluid einem Motor zur Bereitstellung von Instead of a turbine, which serves by a coupling with a generator for generating electrical energy, the heated or heated and in particular gaseous or vaporous fluid, a motor for the provision of
Bewegungsenergie zugeführt werden. Motion energy to be supplied.
Nachteilig bei derartigen bekannten Ausführungsformen ist insbesondere die Tatsache, dass für einen effizienten A disadvantage of such known embodiments is in particular the fact that for an efficient
Betrieb eines Motors oder einer mit einem Generator Operation of a motor or one with a generator
gekoppelten Turbine das zum Einsatz gelangende Fluid eine vergleichsweise hohe Temperatur und einen hohen Druck aufweisen muss, um derart die nachgeschaltete Turbine bzw. den nachgeschalteten Motor betreiben zu können. Bei einer Umwandlung der thermischen Energie in Bewegungs- oder elektrische Energie erfolgt eine Abnahme sowohl der coupled turbine used the fluid used a relatively high temperature and high pressure must have in order to operate the downstream turbine or the downstream motor so. In a conversion of thermal energy into motive or electrical energy is a decrease in both the
Temperatur als auch des Drucks des zum Einsatz gelangenden Fluids, wobei jedoch sowohl die Temperatur als auch der Druck des Fluids nach dem Motor bzw. nach der Turbine gegenüber Umgebungsbedingungen üblicherweise erhöhte Werte aufweisen, so dass die derart im Fluid verbleibende Energie üblicher Weise bei bekannten Anlagen im Wesentlichen ungenützt verloren geht. Derart ist der Wirkungsgrad der Umwandlung thermischer Energie in Bewegungsenergie oder elektrische Energie in derartigen bekannten einstufigen Anlagen begrenzt. Temperature as well as the pressure of the fluid used, but both the temperature and the pressure of the fluid after the engine or after the turbine to environmental conditions usually have elevated values, so that the energy thus remaining in the fluid usually in known systems essentially lost unused. Thus, the efficiency of converting thermal energy into kinetic energy or electrical energy is limited in such known single-stage plants.
Die vorliegende Erfindung zielt daher darauf ab, die oben genannten Nachteile bekannter Anlagen zu vermeiden bzw. zumindest zu reduzieren und insbesondere den Wirkungsgrad einer derartigen Anlage bzw. Anordnung zur Umwandlung thermischer Energie in Bewegungs- oder elektrische Energie zu erhöhen, um derart insbesondere die eingesetzte The present invention therefore aims to avoid or at least reduce the abovementioned disadvantages of known systems and in particular to increase the efficiency of such a system or arrangement for converting thermal energy into motive or electrical energy, in order in particular to use those
thermische Energie wirkungsvoller insbesondere zur thermal energy more effective in particular to
Bereitstellung elektrischer Energie zu nutzen. Providing electrical energy.
Zur Lösung dieser Aufgaben ist eine Anordnung zur To solve these problems is an arrangement for
Umwandlung thermischer Energie in Bewegungs- oder Conversion of thermal energy into motion or
elektrische Energie der eingangs genannten Art im electrical energy of the type mentioned in the
Wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass dem Motor oder der Turbine wenigstens ein weiterer Motor oder eine weitere Turbine nachgeschaltet ist, in welchem (r) eine Umwandlung von thermischer Energie in Bewegungs- oder elektrische Energie auf gegenüber der vorangeschalteten Stufe eines Motors bzw. einer Turbine verringertem Temperatur- und/oder Druckniveau durchgeführt wird. Dadurch, dass Essentially characterized in that the motor or the turbine is followed by at least one further motor or another turbine, in which (r) a conversion of thermal energy into motive or electrical energy with respect to the upstream stage of a motor or a turbine reduced temperature - and or Pressure level is performed. As a result of that
erfindungsgemäß der ersten Stufe, welche wenigstens einen Wärmetauscher und einen zugeordneten bzw. zugehörigen Motor bzw. eine zugeordnete Turbine umfasst, wenigstens ein weiterer Motor oder eine weitere Turbine nachgeschaltet ist, gelingt es, die in dem Fluid nach dem Durchtritt durch den Motor bzw. die Turbine der ersten Stufe verbleibende Restenergie entsprechend zu nutzen, da in dem According to the invention, the first stage, which comprises at least one heat exchanger and an associated or associated motor or an associated turbine, at least one further motor or a further turbine is connected downstream, succeeds in the fluid after passing through the motor or the Use first stage turbine corresponding residual energy accordingly, since in the
nachgeschalteten Motor bzw. der nachgeschalteten Turbine eine weitere Umwandlung von thermischer Energie in Downstream engine or the downstream turbine, a further conversion of thermal energy in
Bewegungs- oder elektrische Energie auf gegenüber der vorangeschalteten Stufe verringertem Temperatur- und/oder Druckniveau erfolgt bzw. durchgeführt wird. Durch eine entsprechende Konzipierung des nachgeschalteten Motors oder der nachgeschalteten Turbine kann somit das in dem Fluid nach dem Durchtritt durch die erste Stufe verbleibende Restenergieniveau entsprechend genutzt werden, so dass der Wirkungsgrad einer derartigen erfindungsgemäßen Anordnung, welche wenigstens eine weitere Stufe eines Motors bzw. Movement or electrical energy is carried out or carried out in relation to the preceding stage reduced temperature and / or pressure level. By an appropriate design of the downstream engine or the downstream turbine thus remaining in the fluid after passing through the first stage residual energy level can be used accordingly, so that the efficiency of such an inventive arrangement, which at least one further stage of an engine or
einer Turbine zur Umwandlung thermischer Energie in a turbine for converting thermal energy into
Bewegungs- oder elektrische Energie umfasst, gegenüber bekannten einstufigen Anlagen erhöht werden kann. Motion or electrical energy includes, compared to known single-stage systems can be increased.
Zur weiteren Erhöhung des Wirkungsgrads einer To further increase the efficiency of a
erfindungsgemäßen Anordnung wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, dass das Fluid vor einem Durchtritt durch einen nachgeschalteten Motor bzw. eine nachgeschaltete Turbine wenigstens einem weiteren Inventive arrangement is proposed according to a preferred embodiment, that the fluid before passing through a downstream engine or a downstream turbine at least one other
Wärmetauscher zuführbar ist, in welchem die nach der Heat exchanger can be fed, in which the after
Nutzung für den Betrieb eines vorangeschalteten Motors bzw. einer vorangeschalteten Turbine verbleibende Wärme zur Erwärmung des Fluids nutzbar ist. Durch Vorsehen wenigstens eines derartigen weiteren Wärmetauschers kann das Temperatur- und/oder Druckniveau des in der Use for the operation of a preceding engine or a preceding turbine remaining heat for heating the fluid is available. By providing at least one such further heat exchanger, the Temperature and / or pressure level in the
nachgeschalteten Stufe zum Einsatz gelangenden Fluids wiederum wenigstens teilweise angehoben werden, so dass derart der gesamte Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen downstream stage are used to be used at least partially raised fluid, so that in such a way the overall efficiency of the invention
Anordnung verbessert werden kann. Zum Anheben des Arrangement can be improved. To lift the
Temperatur- und/oder Druckniveaus des in der Temperature and / or pressure levels of in the
nachgeschalteten Stufe zum Einsatz gelangenden Fluids wird hierbei in vorteilhafter Weise die Restenergie, Downstream stage used fluid is hereby advantageously the residual energy,
insbesondere die verbleibende thermische Energie genutzt, die das Fluid einer vorangeschalteten Stufe, insbesondere der unmittelbar vorangeschalteten Stufe, nach der In particular, the remaining thermal energy used, the fluid of a preceding stage, in particular the immediately preceding stage, after the
Energieumwandlung im Motor bzw. der Turbine aufweist. Energy conversion in the engine or the turbine has.
Zum Anheben des Temperatur- und/oder Druckniveaus des in der nachgeschalteten Stufe zum Einsatz gelangenden Fluids wird dem aus einer vorangeschalteten Stufe kommende Fluid im weiteren Wärmetauscher Wärme entzogen, sodass letzteres vorzugsweise kondensiert, während das Fluid der In order to raise the temperature and / or pressure level of the fluid used in the downstream stage, heat is removed from the fluid coming from a preceding stage in the further heat exchanger, so that the latter preferably condenses, while the fluid of the
nachgeschalteten Stufe vorzugsweise in den Dampfzustand gebracht wird. downstream stage is preferably brought to the vapor state.
Zur Optimierung einer derartigen Anlage wird gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, dass drei Stufen, welche jeweils wenigstens einen Wärmetauscher und einen zugeordneten Motor bzw. eine zugeordnete Turbine aufweisen, vorgesehen sind. Derartige drei Stufen, welche jeweils wenigstens einen Wärmetauscher und einen To optimize such a system, it is proposed according to a further preferred embodiment that three stages each having at least one heat exchanger and an associated engine or an associated turbine are provided. Such three stages, each comprising at least one heat exchanger and a
zugeordneten Motor bzw. eine zugeordnete Turbine aufweisen, lassen sich in einer kaskadenartigen Anordnung bei associated motor or an associated turbine, can be in a cascade-like arrangement
entsprechend optimiertem konstruktivem Aufwand einsetzen. use according optimized design effort.
Zur Nutzung von gegebenenfalls nach einer letzten Stufe verbleibender Restwärme wird darüber hinaus vorgeschlagen, dass das Fluid nach einem letzten Motor bzw. einer letzten Turbine einem abschließenden Wärmetauscher zur In addition, to use any residual heat remaining after a final stage, it is proposed that that the fluid after a last motor or a last turbine to a final heat exchanger for
Bereitstellung von Wärmeenergie an externe Verbraucher zuführbar ist, wie dies einer weiters bevorzugten  Provision of heat energy can be supplied to external consumers, as a further preferred
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung entspricht. Embodiment of the arrangement according to the invention corresponds.
Insbesondere zur Vereinfachung des Fluidkreisläufs in den wenigstens zwei Stufen der erfindungsgemäßen Anordnung zur Umwandlung thermischer Energie in Bewegungs- oder In particular, to simplify the fluid circuit in the at least two stages of the inventive arrangement for the conversion of thermal energy into motion or
elektrische Energie wird gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, dass das Fluid in einem geschlossenen Kreislauf durch die Mehrzahl von jeweils wenigstens einen Wärmetauscher sowie einen Motor oder eine Turbine aufweisenden Stufen geführt ist. Durch Verwendung eines gemeinsamen Fluids in einem geschlossenen Kreislauf in der Mehrzahl von Stufen lässt sich der anlagentechnische Aufwand für die Bereitstellung der unterschiedlichen electrical energy is proposed according to a further preferred embodiment, that the fluid is guided in a closed circuit through the plurality of at least one respective heat exchanger and a motor or a turbine having stages. By using a common fluid in a closed circuit in the plurality of stages, the equipment complexity for the provision of the different
Komponenten der mehrfachen Stufen der erfindungsgemäßen Anordnung bei entsprechend erhöhtem Wirkungsgrad insgesamt reduzieren . Reduce components of the multiple stages of the inventive arrangement with a correspondingly increased efficiency total.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der According to an alternative embodiment of the
erfindungsgemäßen Anordnung wird vorgeschlagen, dass jeweils ein geschlossener Kreislauf des Fluids in jeder jeweils wenigstens einen Wärmetauscher und eine zugeordnete Turbine bzw. einen zugeordneten Motor aufweisenden Stufe mit jeweils getrennten Umwälzpumpen vorgesehen ist. Durch eine derartige Trennung der einzelnen Fluidkreisläufe kann in einfacher und zuverlässiger Weise die Temperatur- und/oder Druckführung in den einzelnen Stufen wenigstens teilweise unabhängig von den weiteren Stufen der Arrangement according to the invention it is proposed that in each case a closed circuit of the fluid in each case at least one heat exchanger and an associated turbine or an associated motor having stage is provided, each with separate circulating pumps. By such a separation of the individual fluid circuits can be in a simple and reliable manner, the temperature and / or pressure control in the individual stages at least partially independent of the other stages of
erfindungsgemäßen Anordnung optimiert werden. Zur weiteren Verbesserung des Wirkungsgrads als auch zur Optimierung der konstruktiven Ausbildung der inventive arrangement can be optimized. To further improve the efficiency and to optimize the structural design of the
erfindungsgemäßen Anordnung wird gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, dass Fluide wenigstens teilweise unterschiedliche chemischphysikalische Eigenschaften aufweisen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass ein Fluid in einem Fluidkreislauf der ersten Stufe einen höheren Siedepunkt aufweist als ein Fluid in einem Fluidkreislauf wenigstens einer Inventive arrangement is proposed according to a further preferred embodiment, that fluids have at least partially different chemical and physical properties. In particular, it can be provided that a fluid in a fluid circuit of the first stage has a higher boiling point than a fluid in a fluid circuit of at least one
nachgeschalteten Stufe. downstream stage.
In diesem Zusammenhang wird gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, dass die Fluide in an sich bekannter Weise von Wasser oder organischen Medien, wie beispielsweise Kohlenwasserstoffen oder Silikonölen In this context, it is proposed according to a further preferred embodiment that the fluids in a conventional manner of water or organic media, such as hydrocarbons or silicone oils
gebildet sind. are formed.
Zur weiteren Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads der erfindungsgemäßen Anordnung und insbesondere zur Vermeidung bzw. Reduzierung eines Einsatzes von nicht-nachhaltigen Brennstoffen zur Erzeugung thermischer Energie wird gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, dass zumindest der der ersten Stufe zugeordnete To further improve the overall efficiency of the arrangement according to the invention and in particular to avoid or reduce the use of non-sustainable fuels for generating thermal energy is proposed according to a further preferred embodiment that at least the first stage associated
Wärmetauscher wenigstens teilweise mit Solarenergie Heat exchanger at least partially with solar energy
versorgbar ist. is available.
Zur weiteren Optimierung des gesamten Wirkungsgrads einer erfindungsgemäßen Anlage bzw. Anordnung wird vorgeschlagen, dass wenigstens ein Wärmetauscher im Gegenstrom von Fluiden unterschiedlicher Stufen durchströmt wird, wie dies einer weiter bevorzugten Ausführungsform entspricht. In dem wenigstens einen Wärmetauscher einer nachgeschalteten Stufe wird somit die Restwärme des Fluids bzw. der Fluide aus zwei unterschiedlichen vorangeschalteten Stufen zur To further optimize the overall efficiency of a system or arrangement according to the invention, it is proposed that at least one heat exchanger is flowed through in counterflow of fluids of different stages, as corresponds to a further preferred embodiment. In the at least one heat exchanger of a downstream stage thus the residual heat of the fluid or of the fluids two different stages preceded to
Erwärmung des Fluids der nachgeschalteten Stufe genutzt Heating the fluid used downstream stage
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der In a particularly preferred embodiment of the
Erfindung ist vorgesehen, dass das Fluid vor einem Invention is provided that the fluid before a
Durchtritt durch einen nachgeschalteten Motor bzw. eine nachgeschaltete Turbine in der jeweiligen Stufe Passage through a downstream engine or a downstream turbine in the respective stage
nacheinander zwei weiteren Wärmetauschern zuführbar ist. Das Fluid wird somit zweistufig erwärmt, nämlich zuerst in einem ersten der zwei weiteren Wärmetauscher und danach in einem zweiten der zwei weiteren Wärmetauscher. one after the other two heat exchangers can be fed. The fluid is thus heated in two stages, namely first in a first of the two further heat exchangers and then in a second of the two further heat exchangers.
Insbesondere kann in diesem Zusammenhang vorgesehen sein, dass in einem ersten der zwei weiteren Wärmetauscher die nach der Nutzung für den Betrieb eines vorangeschalteten Motors bzw. einer vorangeschalteten Turbine verbleibende Wärme zur Erwärmung des Fluids nutzbar ist und dass in einem zweiten der zwei weiteren Wärmetauscher eine von extern zugeführte thermische Energie zur weiteren Erwärmung des Fluids nutzbar ist. In particular, it may be provided in this connection that in a first of the two further heat exchangers, the heat remaining after use for the operation of a preceding motor or a preceding turbine is available for heating the fluid and that in a second of the two further heat exchangers one of externally supplied thermal energy for further heating of the fluid is available.
Mit der Anordnung von zwei hintereinander durchströmten weiteren Wärmetauschern wird die Flexibilität in der With the arrangement of two successively flowed through further heat exchangers, the flexibility in the
Betriebsweise der jeweiligen Stufen erhöht. So kann der erste der zwei weiteren Wärmetauscher dazu verwendet werden, um das Fluid im flüssigen Zustand zu erwärmen, und der zweite der zwei weiteren Wärmetauscher kann dazu verwendet werden, um das im ersten Wärmetauscher erwärmte Fluid zu verdampfen. Alternativ kann das Fluid bereits im ersten Wärmetauscher verdampft werden, sodass der zweite Wärmetauscher zum Überhitzen des Dampfs verwendet werden kann. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die für den Betrieb des zweiten Wärmetauschers zugeführte externe Energie den jeweiligen Bedürfnissen entsprechend, Operation of the respective stages increased. Thus, the first of the two further heat exchangers may be used to heat the fluid in the liquid state, and the second of the two further heat exchangers may be used to evaporate the fluid heated in the first heat exchanger. Alternatively, the fluid may already be evaporated in the first heat exchanger so that the second heat exchanger can be used to overheat the steam. Another advantage is that the supplied for the operation of the second heat exchanger external Energy according to the respective needs,
insbesondere zur Optimierung der Betriebsweise des in particular for optimizing the operation of the
jeweiligen Motors bzw. Turbine in einfacher Weise angepasst werden kann. Dies steht im Gegensatz zum ersten respective engine or turbine can be adjusted in a simple manner. This is in contrast to the first one
Wärmetauscher, in dem mit der nicht ohne weiteres Heat exchanger, in which with the not readily available
einstellbaren, aus der vorangeschalteten Stufe kommenden Restwärme gearbeitet werden muss. Diese Restwärme ergibt sich aus den Einstellungen der vorangeschalteten Stufe, die in der Regel im Hinblick auf eine Maximierung des adjustable, coming from the upstream stage residual heat must be worked. This residual heat results from the settings of the preceding stage, which are usually with a view to maximizing the
Wirkungsgrades zum Betrieb des Motors bzw. der Turbine der vorangeschalteten Stufe betrieben wird. Efficiency is operated to operate the engine or the turbine of the upstream stage.
Auf Grund der Einstellbarkeit der dem zweiten Wärmetauscher von extern zugeführten Energie kann auch der Massenfluss des zu erwärmenden bzw. verdampfenden Arbeitsfluids der jeweiligen Stufe variiert werden, insbesondere im Hinblick auf die Erzielung einer optimalen Leistung des Motors bzw. der Turbine. Due to the adjustability of the energy supplied externally to the second heat exchanger, the mass flow of the working fluid to be heated or evaporated of the respective stage can also be varied, in particular with regard to achieving optimum performance of the engine or of the turbine.
Insgesamt kann somit die über den zweiten Wärmetauscher von extern zugeführte Energie in der zweiten und ggf. weiteren nachgeschalteten Stufe (n) so gewählt werden, dass in jeder der nachgeschalteten Stufen eine von den anderen Stufen unabhängige Optimierung der Energieumwandlung in dem Motor bzw. der Turbine gelingt. Altogether, the energy supplied externally via the second heat exchanger can thus be selected in the second and optionally further downstream stage (s) such that in each of the downstream stages an optimization of the energy conversion in the engine or turbine independent of the other stages takes place succeed.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In dieser zeigen Fig. 1 ein schematisches Diagramm einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Umwandlung thermischer Energie in Bewegungs- oder elektrische Energie; Fig. 2 in einer zu Fig. 1 ähnlichen Darstellung eine abgewandelte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Umwandlung thermischer Energie in Bewegungs- oder elektrische Energie; und Fig. 3 wiederum ähnlich zur Darstellung gemäß Fig. 1 eine weitere abgewandelte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen The invention will be explained in more detail with reference to embodiments shown in the drawing. 1 is a schematic diagram of a first embodiment of an inventive arrangement for converting thermal energy into motive or electrical energy; Fig. 2 in a similar to Fig. 1 representation of a modified embodiment of a inventive arrangement for converting thermal energy into motive or electrical energy; and FIG. 3 again, similar to the representation according to FIG. 1, shows a further modified embodiment of a device according to the invention
Anordnung zur Umwandlung thermischer Energie in Bewegungsoder elektrische Energie. Arrangement for converting thermal energy into motion or electrical energy.
Zu der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von For the following detailed description of
unterschiedlichen Ausführungsformen wird einleitend different embodiments will be introductory
angemerkt, dass lediglich die für ein Verständnis der noted that only for an understanding of
Ausbildung der erfindungsgemäßen Anordnung zur Umwandlung thermischer Energie in Bewegungs- oder elektrische Energie wesentlichen Elemente in größerem Detail beschrieben werden . Formation of the inventive arrangement for converting thermal energy into motion or electrical energy essential elements will be described in greater detail.
In Fig. 1 ist allgemein mit 1 eine Anlage zur Umwandlung thermischer Energie in Bewegungs- oder elektrische Energie bezeichnet, wobei in einer ersten Stufe ein Wärmetauscher 2 vorgesehen ist, mit welchem beispielsweise über eine nicht näher dargestellte Solar-Einrichtung über eine Zuleitung 3 eine Energiezufuhr erfolgt. In dem Wärmetauscher 2 erfolgt ein Erwärmen bzw. Erhitzen eines über eine Leitung 4 zugeführten Fluids, welches in weiterer Folge in Form von Hochdruckdampf über eine Leitung 5 einer Turbine 6 In Fig. 1, a plant for converting thermal energy into motion or electrical energy is generally denoted by 1, wherein in a first stage, a heat exchanger 2 is provided, with which, for example via a non-illustrated solar device via a supply line 3, an energy supply he follows. In the heat exchanger 2, heating or heating of a fluid supplied via a line 4, which subsequently takes the form of high-pressure steam via a line 5 of a turbine 6, takes place
zugeführt wird. Die Turbine 6 ist mit einem Generator 7 gekoppelt. In der mit dem Generator 7 gekoppelten Turbine 6 erfolgt eine Umsetzung bzw. Umwandlung thermischer Energie, wie sie unter Vermittlung des Wärmetauschers 2 zur is supplied. The turbine 6 is coupled to a generator 7. In the coupled with the generator 7 turbine 6 is a conversion or conversion of thermal energy, as they mediate the heat exchanger 2 for
Verfügung gestellt wird, in elektrische Energie. Is provided in electrical energy.
Anstelle der Turbine 6, welche mit dem Generator 7 Instead of the turbine 6, which with the generator. 7
gekoppelt ist, kann zur Umwandlung der thermischen Energie auch ein Motor vorgesehen sein, mit welchem eine Umwandlung der thermischen Energie in Bewegungsenergie zur Verfügung gestellt wird. coupled, may also be provided for converting the thermal energy, a motor with which a conversion the thermal energy is provided in kinetic energy.
Das aus der Turbine 6 austretende Fluid wird über eine Leitung 8 einem weiteren Wärmetauscher 9 zugeführt, in welchem eine Erwärmung bzw. Erhitzung von über eine The emerging from the turbine 6 fluid is supplied via a line 8 to a further heat exchanger 9, in which a heating or heating of a
Fluidleitung 10 zugeführtem Fluid im Gegenstrom vorgenommen wird. Dieses Fluid wird im Wärmetauscher 9 wiederum in einen Hochdruckdampf umgewandelt, welcher über eine Leitung 10 einer weiteren Turbine 11 zugeführt wird, welche ebenso wie die Turbine 6 wiederum mit einem Generator 12 gekoppelt ist . Fluid line 10 supplied fluid is made in countercurrent. This fluid is in turn converted in the heat exchanger 9 into a high-pressure steam, which is supplied via a line 10 to a further turbine 11, which, like the turbine 6, is in turn coupled to a generator 12.
Ähnlich wie die zwei erstgenannten Stufen, in welchen jeweils ein Wärmetauscher 2 bzw. 9 zur Bereitstellung von Hochdruckdampf vorgesehen ist, welcher in weiterer Folge einer nachgeschalteten Turbine 6 bzw. 11 zugeführt wird, ist bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ein weiterer Wärmetauscher 13 einer weiteren Stufe vorgesehen, in welchem über eine Zuleitung 14 zugeführtes Fluid Similar to the two first-mentioned stages, in each of which a heat exchanger 2 or 9 is provided for providing high-pressure steam, which is subsequently supplied to a downstream turbine 6 or 11, in the embodiment shown in FIG. 1, a further heat exchanger 13 a further stage provided in which via a supply line 14 supplied fluid
wiederum insbesondere im Gegenstrom erwärmt wird, so dass Hochdruckdampf über eine Leitung 15 einer weiteren Turbine 16 zugeführt wird, welche ähnlich wie die beiden Turbinen der vorangehenden Stufen mit einem Generator 17 gekoppelt ist. is again heated in particular in countercurrent, so that high pressure steam is supplied via a line 15 to another turbine 16, which is similar to the two turbines of the previous stages coupled to a generator 17.
In dem Wärmetauscher 13 erfolgt derart auch eine In the heat exchanger 13 takes place in such a way
Wärmerückgewinnung des aus der zweiten Stufe aus der Heat recovery from the second stage of the
Turbine 11 über eine Leitung 18 rückgeführten Fluids. Turbine 11 via a line 18 recirculated fluid.
Zur weiteren Rückgewinnung von Restwärme ist in Fig. 1 ein weiterer Wärmetauscher 19 angedeutet, welchem Restwärme aus den vorangehenden Stufen jeweils zur Umwandlung thermischer Energie in Bewegungs- oder elektrische Energie zugeführt wird, wobei die im Wärmetauscher 19 abzugebende Wärme beispielsweise einer schematisch angedeuteten Heizung, beispielsweise einer Fußbodenheizung 20 zugeführt wird. For further recovery of residual heat, a further heat exchanger 19 is indicated in Fig. 1, which residual heat from the preceding stages in each case for the conversion of thermal Energy is supplied in moving or electrical energy, wherein the heat to be emitted in the heat exchanger 19, for example, a schematically indicated heating, for example, a floor heating 20 is supplied.
Eine weitere Energierückgewinnung gelingt in einem Another energy recovery succeeds in one
zusätzlichen Wärmetauscher 21 sowie einem weiteren additional heat exchanger 21 and another
Restwärmetauscher 22. Aus der Darstellung gemäß Fig. 1 ist ersichtlich, dass sämtliche Stufen der kaskadenartig angeordneten Residual heat exchanger 22. From the representation of FIG. 1 it can be seen that all stages of the cascade arranged
hintereinander geschalteten Einheiten zur Umwandlung thermischer Energie in Bewegungs- oder elektrische Energie, welche jeweils zumindest einen Wärmetauseher 2, 9 und 13 sowie eine damit gekoppelte Turbine 6, 11 und 16 aufweisen, mit einem gemeinsamen Fluid betrieben werden, wobei ein Vorratsbehälter für das gemeinsame Fluid mit 23 angedeutet ist und für eine Umwälzung des Fluids eine Pumpe 24 series-connected units for converting thermal energy into motive or electrical energy, each having at least one heat exchanger 2, 9 and 13 and a turbine 6, 11 and 16 coupled thereto, are operated with a common fluid, wherein a reservoir for the common fluid 23 is indicated and for a circulation of the fluid, a pump 24th
vorgesehen ist. is provided.
Die einzelnen Stufen bzw. Einheiten zur Umwandlung jeweils thermischer Energie in Bewegungs- oder elektrische Energie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 werden beispielsweise unter Einsatz eines organischen Mediums als Fluid bei folgenden Temperaturparametern betrieben. The individual stages or units for converting respective thermal energy into motive or electrical energy in the embodiment according to FIG. 1 are operated, for example, using an organic medium as fluid at the following temperature parameters.
Aus dem Wärmetauscher 2 wird über die Leitung 5 gasförmiges Fluid mit einer Temperatur von 100 °C der Turbine 6 From the heat exchanger 2 is via the line 5 gaseous fluid having a temperature of 100 ° C of the turbine. 6
zugeführt, worauf über die Leitung 8 das Fluid bei einer Temperatur von etwa 80 °C abgezogen wird. fed, whereupon via the line 8, the fluid is withdrawn at a temperature of about 80 ° C.
In der nachfolgenden Stufe wird durch eine Erwärmung im Wärmetauscher 9 nach dem Gegenstromprinzip über die Leitung 10 das Fluid mit einer Temperatur von etwa 75 °C der Turbine 11 zugeführt, wobei es mit einer Temperatur von etwa 55 °C aus der Turbine ausgebracht wird. Nach einem weiteren Wärmetausch im Wärmetauscher 13 wird der Turbine 16 der dritten Stufe das Fluid bei einer Temperatur von etwa 53 °C zugeführt und bei einer In the following stage is by heating in the heat exchanger 9 according to the countercurrent principle via the line 10, the fluid is supplied at a temperature of about 75 ° C of the turbine 11, wherein it is discharged at a temperature of about 55 ° C from the turbine. After a further heat exchange in the heat exchanger 13 of the turbine 16 of the third stage, the fluid is supplied at a temperature of about 53 ° C and at a
Temperatur von etwa 35 °C aus dieser abgezogen. Derart können bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 dieTemperature of about 35 ° C deducted from this. Such can in the embodiment of FIG. 1, the
Turbinen mit einer Leistung von etwa 3 kW für die Turbine 6, von etwa 2 kW für die Turbine 11 und von etwa 1 kW für die Turbine 16 betrieben werden, so dass sich unmittelbar erkennen lässt, dass sich gegenüber einer einstufigen Ausbildung einer Anordnung zur Umwandlung thermischer Energie in Bewegungs- oder elektrische Energie ein entsprechend erhöhter Wirkungsgrad der Gesamtanlage insbesondere im Zusammenhang mit einer Bereitstellung elektrischer Energie erzielen lässt. Turbines with a power of about 3 kW for the turbine 6, of about 2 kW for the turbine 11 and about 1 kW for the turbine 16 are operated, so that it can be seen immediately that compared to a single-stage formation of an assembly for conversion Thermal energy in motion or electrical energy can achieve a correspondingly increased efficiency of the entire system, in particular in connection with a provision of electrical energy.
Bei der Darstellung gemäß Fig. 2 ist eine abgewandelte Ausführungsform einer Anordnung 101 zur Umwandlung In the illustration according to FIG. 2, a modified embodiment of an arrangement 101 for conversion
thermischer Energie in Bewegungs- oder elektrische Energie gezeigt, wobei gleiche Elemente bzw. Bauteile jeweils mit einem Bezugszeichen versehen sind, welches gegenüber den Bauteilen bzw. Elementen der Ausführungsform gemäß Fig. 1 um jeweils "100" erhöht ist. shown in thermal or electrical energy, wherein the same elements or components are each provided with a reference numeral, which is compared to the components or elements of the embodiment of FIG. 1 increased by "100".
So ist auch bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 So is also in the embodiment of FIG. 2
ersichtlich, dass nach Art einer Kaskade drei Stufen vorgesehen sind, wobei jeweils ein Wärmetauscher 102, 109 und 113 mit einer Turbine 106, 111 und 116 sowie einem damit gekoppelten Generator 107, 112 und 117 vorgesehen ist . can be seen that three stages are provided in the manner of a cascade, wherein in each case a heat exchanger 102, 109 and 113 with a turbine 106, 111 and 116 and a coupled generator 107, 112 and 117 is provided.
Auch die in Fig. 2 dargestellten Stufen werden auf jeweils unterschiedlichen Temperatur- und/oder Druckniveaus The stages shown in FIG. 2 are also in each case at different temperature and / or pressure levels
betrieben, wobei ein wesentlicher Unterschied gegenüber der Ausführungsform gemäß Fig. 1 darin besteht, dass, wie oben ausgeführt, bei der Ausbildung gemäß Fig. 1 ein gemeinsames Fluid für sämtliche Fluidkreisläufe der drei Stufen operated, wherein a significant difference compared to the embodiment of FIG. 1 is that, as stated above, in the embodiment of FIG. 1, a common fluid for all fluid circuits of the three stages
vorgesehen ist, während bei der Ausbildung gemäß Fig. 2 drei Vorratsbehälter 123a, 123b und 123c vorgesehen sind, welche jeweils mit einer Pumpe 124a, 124b und 124c is provided, while in the embodiment according to FIG. 2, three reservoirs 123a, 123b and 123c are provided, each with a pump 124a, 124b and 124c
gekoppelt sind und zur Versorgung der einzelnen are coupled and to supply the individual
Fluidkreisläufe dienen. Serve fluid circuits.
Ähnlich wie bei der Ausbildung gemäß Fig. 1 sind auch zusätzliche Wärmetauscher 119, 121 und 122 zur Similar to the embodiment of FIG. 1, additional heat exchangers 119, 121 and 122 for
Rückgewinnung von Restwärme vorgesehen. Durch Vorsehen der voneinander getrennten Fluidkreisläufe sowie der Vorratsbehälter 123a, 123b und 123c können unterschiedliche Fluide zum Einsatz gelangen, so dass eine weitere Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads durch Recovery of residual heat provided. By providing the separate fluid circuits and the reservoir 123 a, 123 b and 123 c different fluids can be used, so that a further improvement of the overall efficiency by
entsprechende Abstimmung der chemisch-physikalischen appropriate coordination of the chemical-physical
Eigenschaften der einzelnen Fluide in den unterschiedlichen Fluidkreisläufen mit den konstruktiven Merkmalen, Properties of the individual fluids in the different fluid circuits with the design features,
insbesondere der zugehörigen Wärmetauscher als auch der Turbinen sowie der damit gekoppelten Generatoren möglich wird . in particular the associated heat exchanger as well as the turbines and the coupled generators is possible.
In Fig. 3 ist eine weitere abgewandelte Ausführungsform einer Anordnung 201 zur Umwandlung thermische Energie in Bewegungs- oder elektrische Energie dargestellt, wobei wiederum gleiche Elemente bzw. Bauteile mit einem In Fig. 3, another modified embodiment of an arrangement 201 for converting thermal energy into moving or electrical energy is shown, wherein again the same elements or components with a
Bezugszeichen bezeichnet sind, welches um „200" gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform erhöht ist. Wie bei den vorangehenden Ausführungsformen sind wiederum drei Stufen in einer Kaskadenanordnung vorgesehen, wobei in einer ersten Stufe der Wärmetauscher bzw. Verdampfer 202 mit einer Turbine 206 gekoppelt ist, welche mit einem  1, which is increased by "200" from the embodiment shown in Fig. 1. As with the previous embodiments, three stages are again provided in a cascade arrangement, wherein in a first stage the heat exchanger or evaporator 202 is coupled to a turbine 206 which is with a
Generator 207 gekoppelt ist. In einer zweiten Stufe sind ein Wärmetauscher bzw. Kondensator 209 sowie eine Turbine 211 und ein Generator 212 vorgesehen, während in einer dritten Stufe ein Wärmetauscher bzw. Kondensator 213 und eine Turbine 216 sowie ein Generator 217 vorgesehen sind. Während bei der Ausbildung gemäß Fig. 1 ein gemeinsamesGenerator 207 is coupled. In a second stage, a heat exchanger or condenser 209 and a turbine 211 and a generator 212 are provided, while in a third stage, a heat exchanger or condenser 213 and a turbine 216 and a generator 217 are provided. While in the embodiment of FIG. 1 is a common
Fluid in sämtlichen Kreisläufen bzw. Stufen vorgesehen ist und für die Ausbildung gemäß Fig. 2 in den einzelnen Stufen bzw. Kreisläufen unterschiedliche Fluide vorgesehen sind, ist bei der Ausbildung gemäß Fig. 3 in dem ersten Kreislauf ein erstes Fluid, beispielsweise Wasser vorgesehen, während im zweiten und dritten Kreislauf beispielsweise ein jeweils identes Fluid, beispielsweise SES 36, insbesondere in jeweils einem getrennten Kreislauf vorgesehen ist. Neben einer Rückgewinnung der Restwärme aus der ersten Stufe im Wärmetauscher bzw. Kondensator 209 ist diesem Wärmetauscher 209 nachgeschaltet ein weiterer Wärmetauscher bzw. Verdampfer 225 vorgesehen, welchem ebenso wie dem ersten Wärmetauscher bzw. Verdampfer 202 von außen über eine Zuleitung 226 Energie zugeführt wird. Derart kann der zweiten Turbine 211 durch die hintereinander angeordneten bzw. geschalteten Wärmetauscher 209 und 226 wiederum Dampf erhöhten Drucks zur Umwandlung in elektrische Energie in dem Generator 212 zugeführt werden. Fluid is provided in all circuits or stages and are provided for the embodiment of FIG. 2 in the individual stages or circuits different fluids, in the embodiment of FIG. 3 in the first circuit, a first fluid, for example water provided while in the second and third circuit, for example, a respective identical fluid, for example, SES 36, in particular in a separate circuit is provided. In addition to a recovery of the residual heat from the first stage in the heat exchanger or condenser 209 downstream of this heat exchanger 209, a further heat exchanger or evaporator 225 is provided, which as well as the first heat exchanger or evaporator 202 from the outside via a supply line 226 energy is supplied. In this way, the second turbine 211 can in turn be steamed by the heat exchangers 209 and 226 arranged one behind the other increased pressure for conversion into electrical energy in the generator 212 are supplied.
Ähnlich wie in der zweiten Stufe ist auch für die Turbine 216 der dritten Stufe neben dem Wärmetauscher bzw. Similar to the second stage, the turbine 216 of the third stage is adjacent to the heat exchanger or
Kondensator 213 zur Rückgewinnung von Restwärme Capacitor 213 for the recovery of residual heat
insbesondere aus der zweiten Stufe ein weiterer especially from the second stage another
Wärmetauscher bzw. Verdampfer 227 vorgesehen, welchem wiederum Energie von außen über eine Zuleitung 228 ebenso wie bei den vorangegangenen Stufen zugeführt wird, um neuerlich das Fluid der dritten Stufe, beispielsweise SES 36, der Turbine 216 mit entsprechend hoher Temperatur und hohem Druck zur Umwandlung in elektrische Energie im Heat exchanger or evaporator 227 is provided, which in turn is supplied with energy from the outside via a supply line 228 as well as in the previous stages to again the third stage fluid, for example SES 36, the turbine 216 with a correspondingly high temperature and high pressure for conversion into electrical energy in the
Generator 217 zuzuführen. Supply generator 217.
Darüber hinaus sind in Fig. 3 Umwälzpumpen in den einzelnen Fluidkreisläufen mit 229, 230 und 231 bezeichnet. Die In addition, in FIG. 3 circulation pumps in the individual fluid circuits are designated by 229, 230 and 231. The
Fluidkreisläufe sind dabei wie folgt ausgebildet. Im Fluid circuits are formed as follows. in the
Fluidkreisläuf der ersten Stufe wird das Fluid nach dem Durchlaufen der Turbine 206 durch den Wärmetauscher 209 der zweiten Stufe geführt, wo eine Restewärme des Fluids zur Erwärmung bzw. Verdampfung des Fluids des zweiten After passing through the turbine 206, the fluid passes through the second stage heat exchanger 209, where a residual heat of the fluid for heating or evaporating the fluid of the second
Fluidkreisläufs genutzt wird. Danach durchläuft das Fluid den Wärmetauscher 213 der dritten Stufe, in dem eine Fluid circuit is used. Thereafter, the fluid passes through the third stage heat exchanger 213, in which a
Restewärme des Fluids zur Erwärmung des Fluids des dritten Fluidkreisläufs genutzt wird. Danach wird das Fluid über die Umwälzpumpe 229 dem Wärmetauscher der ersten Stufe zugeführt . Im Fluidkreisläuf der zweiten Stufe wird das Fluid nach dem Durchlaufen der Turbine 211 durch den Wärmetauscher 213 der dritten Stufe geführt, wo eine Restwärme des Fluids zur Erwärmung bzw. Verdampfung des Fluids des dritten Fluidkreislaufs genutzt wird. Danach wird das Fluid Restwärme the fluid is used to heat the fluid of the third fluid circuit. Thereafter, the fluid is supplied via the circulation pump 229 to the heat exchanger of the first stage. In the fluid circuit of the second stage, the fluid is passed through the turbine 211 through the heat exchanger 213 of the third stage, where a residual heat of the fluid for heating or evaporation of the fluid of the third Fluid circuit is used. After that, the fluid becomes
optional einem abschließenden Wärmetauscher 219 zur optionally a final heat exchanger 219 to
Bereitstellung von Wärmeenergie an externe Verbraucher 220 sowie einem Restwärmetauscher 222 zugeführt. Abschließend wird das Fluid über die Umwälzpumpe 230 den Wärmetauschern 209 und 225 der zweiten Stufe zugeführt, um wieder auf das für den Betrieb der Turbine 211 erforderliche Energieniveau gebracht zu werden. Im Fluidkreislauf der dritten Stufe wird das Fluid nach dem Durchlaufen der Turbine 216 ebenfalls dem abschließenden Wärmetauscher 219 zur Bereitstellung von Wärmeenergie an externe Verbraucher 220 sowie dem Restwärmetauscher 222 zugeführt. Danach wird das Fluid über die Umwälzpumpe 231 den Wärmetauschern 213 und 227 der dritten Stufe zugeführt, um wieder auf das für den Betrieb der Turbine 216 Provision of heat energy to external consumers 220 and a residual heat exchanger 222 supplied. Finally, the fluid is supplied via the circulation pump 230 to the heat exchangers 209 and 225 of the second stage to be brought back to the energy level required for the operation of the turbine 211. In the fluid circuit of the third stage, the fluid is also supplied to the final heat exchanger 219 for providing heat energy to external consumers 220 and the residual heat exchanger 222 after passing through the turbine 216. Thereafter, the fluid is supplied via the circulation pump 231 to the heat exchangers 213 and 227 of the third stage to return to that for the operation of the turbine 216
erforderliche Energieniveau gebracht zu werden. required energy level to be brought.
Für die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform gelangen beispielsweise folgende Temperatur- und Druckparameter zum Einsatz . For example, the following temperature and pressure parameters are used for the embodiment shown in FIG.
Über die Leitung 205 wird als Fluid Wasser bzw. Wasserdampf bei 160 °C und einem Druck von 5 bar der Turbine 206 zugeführt. Nach der Turbine weist der Wasserdampf eineVia the line 205, the turbine 206 is supplied as fluid water or water vapor at 160 ° C and a pressure of 5 bar. After the turbine, the water vapor has a
Temperatur von etwa 130 °C bis 140 °C bei einem Druck von 0,1 bis 0,2 bar Überdruck auf. Temperature of about 130 ° C to 140 ° C at a pressure of 0.1 to 0.2 bar overpressure.
Der zweiten Turbine wird ein von Wasser verschiedenes The second turbine becomes a different one from water
Fluid, beispielsweise wiederum ein organisches Fluid, insbesondere SES 36 bei einer Temperatur von 100 °C und einem Druck von 5 bar zugeführt, während es die Turbine 211 bei einer Temperatur von beispielsweise etwa 75 °C und wiederum einem geringen Überdruck verlässt. Fluid, for example, in turn, an organic fluid, in particular SES 36 at a temperature of 100 ° C and a pressure of 5 bar, while the turbine 211 at a temperature of, for example, about 75 ° C and again leaves a slight overpressure.
Der dritten Turbine 216 wird das Fluid, beispielsweise SES 36 bei einer Temperatur von 60 °C zugeführt, wobei es die Turbine bei einer Temperatur von etwa 35-40 °C verlässt. The third turbine 216 is supplied with the fluid, for example, SES 36 at a temperature of 60 ° C, leaving the turbine at a temperature of about 35-40 ° C.
Dem ersten Wärmetauscher bzw. Verdampfer 202 werden etwa 122 kW zugeführt, so dass der Turbine 206 unter The first heat exchanger or evaporator 202 are about 122 kW supplied, so that the turbine 206 below
Zugrundelegung einer Wassermasse von 160 Liter eine Based on a body of water of 160 liters
Dampfmenge von etwa 50 m3 bei 5 bar bei einer Steam quantity of about 50 m 3 at 5 bar at one
Betriebstemperatur von 160°C zugeführt wird. Nach einem Passieren der ersten Turbine 206 wird eine Restenergie von etwa 100 kW im nachgeschalteten Wärmetauscher bzw. Operating temperature of 160 ° C is supplied. After passing through the first turbine 206, a residual energy of about 100 kW in the downstream heat exchanger or
Kondensator 209 der zweiten Stufe an die zweite Stufe abgegeben, wobei zusätzlich dem Verdampfer bzw. Condenser 209 second stage delivered to the second stage, in addition to the evaporator or
Wärmetauscher 225 177 kW zugeführt werden, so dass der zweiten Turbine 211 insgesamt etwa 277 kW zur Verfügung stehen . Heat exchanger 225 177 kW are supplied, so that the second turbine 211 a total of about 277 kW are available.
Der dritten Stufe wird die gesamte Restwärme, bestehend aus der Flüssigkeit (Kondensat) aus der ersten Stufe, die im Wärmetauscher 213 aufgenommen wird, und aus der gesamten Kondensationswärme des Fluiddampfes aus der Turbine 211, die ebenfalls im Wärmetauscher 213 aufgenommen wird, sowie über den Wärmetauscher bzw. Verdampfer 227 eine zusätzliche Wärme zugeführt und in der dritten Turbine 216 genutzt. The third stage is the total residual heat, consisting of the liquid (condensate) from the first stage, which is received in the heat exchanger 213, and from the total heat of condensation of the fluid vapor from the turbine 211, which is also recorded in the heat exchanger 213, and on the Heat exchanger or evaporator 227 supplied additional heat and used in the third turbine 216.
Als Wirkungsgrade können für die erste Turbine 206 ein Wirkungsgrad von etwa 11 %, für die zweite Turbine 211 ein Wirkungsgrad von etwa 10 % und für die dritte Turbine 216 ein Wirkungsgrad von etwa 4 % angenommen werden. Unter Berücksichtigung der zugeführten Energiemengen und der Wirkungsgrade für die Turbinen 206, 211 und 216 lässt sich somit eine Gesamtenergiegewinnung an elektrischem Strom in der Größenordnung von etwa 43 kW erzielen. As efficiencies, an efficiency of about 11%, for the second turbine 211 an efficiency of about 10%, and for the third turbine 216 an efficiency of about 4% can be assumed for the first turbine 206. Taking into account the amounts of energy supplied and the efficiencies for the turbines 206, 211 and 216, a total energy production of approximately 43 kW of electric power can thus be achieved.
Derart ist wiederum ersichtlich, dass durch die In turn, it can be seen that through the
kaskadenartige Anordnung einer Mehrzahl von Stufen, welche jeweils wenigstens einen Wärmetauscher sowie einen damit gekoppelten Motor oder eine damit gekoppelte Turbine mit einem Generator aufweisen, insgesamt ein entsprechend erhöhter Wirkungsgrad bei der Bereitstellung elektrischer Energie gegenüber einer einstufigen Ausbildung erzielbar ist, selbst wenn für eine einstufige Anlage insbesondere durch gegebenenfalls höhere Temperaturunterschiede zwischen Eingang und Ausgang der Turbine gegebenenfalls geringfügig höhere einzelne Wirkungsgrade erzielbar wären. Cascade-like arrangement of a plurality of stages, each having at least one heat exchanger and a coupled thereto motor or turbine coupled thereto with a generator, overall a correspondingly increased efficiency in the provision of electrical energy over a single-stage training can be achieved, even if for a single-stage system If necessary, slightly higher individual efficiencies could be achieved in particular by possibly higher temperature differences between the inlet and outlet of the turbine.

Claims

Patentansprüche : Claims:
1. Anordnung zur Umwandlung thermischer Energie in 1. Arrangement for the conversion of thermal energy into
Bewegungs- oder elektrische Energie mit einem ersten Motion or electrical energy with a first
Wärmetauscher, in dem ein durchströmendes Fluid erhitzt wird, wonach das unter Druck stehende und gasförmige Fluid einem Motor bzw. einer mit einem Generator gekoppelten Turbine zugeführt wird, in welchem (r) die thermische  Heat exchanger in which a flowing fluid is heated, after which the pressurized and gaseous fluid is supplied to a motor or coupled to a generator turbine, in which (r) the thermal
Energie des Fluids in Bewegungs- oder elektrische Energie umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass dem Motor oder der Turbine (6, 106, 206) wenigstens ein weiterer Motor oder eine weitere Turbine (11, 16, 111, 116, 211, 216) nachgeschaltet ist, in welchem(r) eine Umwandlung von thermischer Energie in Bewegungs- oder elektrische Energie auf gegenüber der vorangeschalteten Stufe eines Motors bzw. einer Turbine (6, 106, 206) verringertem Temperatur- und/oder Druckniveau durchgeführt wird. Energy of the fluid is converted into motive or electrical energy, characterized in that the motor or the turbine (6, 106, 206) at least one further motor or a further turbine (11, 16, 111, 116, 211, 216) connected downstream is, in which (r) a conversion of thermal energy into motive or electrical energy on compared to the upstream stage of a motor or a turbine (6, 106, 206) reduced temperature and / or pressure level is performed.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid vor einem Durchtritt durch einen 2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the fluid before passing through a
nachgeschalteten Motor bzw. eine nachgeschaltete Turbine (11, 16, 111, 116, 211, 216) wenigstens einem weiteren Wärmetauscher (9, 13, 109, 113, 209, 213) zuführbar ist, in welchem die nach der Nutzung für den Betrieb eines downstream engine or a downstream turbine (11, 16, 111, 116, 211, 216) at least one further heat exchanger (9, 13, 109, 113, 209, 213) can be fed, in which the after use for the operation of a
vorangeschalteten Motors bzw. einer vorangeschalteten pre-switched motor or an upstream
Turbine (6, 11, 106, 111, 206, 211) verbleibende Wärme zur Erwärmung des Fluids nutzbar ist. Turbine (6, 11, 106, 111, 206, 211) remaining heat is used to heat the fluid.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch 3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized
gekennzeichnet, dass drei Stufen, welche jeweils wenigstens einen Wärmetauscher (2, 9, 13, 102, 109, 113, 202, 209, 213) und einen zugeordneten Motor bzw. eine zugeordnete Turbine (6, 11, 16, 106, 111, 116, 206, 211, 216) characterized in that three stages, each having at least one heat exchanger (2, 9, 13, 102, 109, 113, 202, 209, 213) and an associated motor or an associated Turbine (6, 11, 16, 106, 111, 116, 206, 211, 216)
aufweisen, vorgesehen sind. have, are provided.
4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch 4. Arrangement according to claim 1, 2 or 3, characterized
gekennzeichnet, dass das Fluid nach einem letzten Motor bzw. einer letzten Turbine (16, 116, 216) einem characterized in that the fluid after a last motor or a last turbine (16, 116, 216) a
abschließenden Wärmetauscher (19, 119, 219) zur final heat exchanger (19, 119, 219) for
Bereitstellung von Wärmeenergie an externe Verbraucher (20, 120, 220) zuführbar ist. Provision of heat energy to external consumers (20, 120, 220) can be fed.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid in einem geschlossenen 5. Arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the fluid in a closed
Kreislauf (23) durch die Mehrzahl von jeweils wenigstens einen Wärmetauscher (2, 9, 13) sowie einen Motor oder eine Turbine (6, 11, 16) aufweisenden Stufen geführt ist. Circuit (23) through the plurality of at least one heat exchanger (2, 9, 13) and a motor or a turbine (6, 11, 16) having stages is performed.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein geschlossener Kreislauf (123a, 123b, 123c) des Fluids in jeder jeweils wenigstens einen Wärmetauscher (102, 109, 113) und eine zugeordnete Turbine (106, 111, 116) bzw. einen zugeordneten Motor aufweisenden Stufe mit jeweils getrennten Umwälzpumpen (124a, 124b, 124c, 229, 230, 231) vorgesehen ist. 6. Arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that in each case a closed circuit (123a, 123b, 123c) of the fluid in each case at least one heat exchanger (102, 109, 113) and an associated turbine (106, 111, 116) or an associated motor having stage, each with separate circulating pumps (124a, 124b, 124c, 229, 230, 231) is provided.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluide wenigstens teilweise unterschiedliche chemisch-physikalische Eigenschaften aufweisen . 7. Arrangement according to one of claims 1 to 6, characterized in that the fluids have at least partially different chemical and physical properties.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluide in an sich bekannter Weise von Wasser oder organischen Medien, wie beispielsweise Kohlenwasserstoffen oder Silikonölen gebildet sind. 8. Arrangement according to one of claims 1 to 7, characterized in that the fluids are formed in a conventional manner of water or organic media, such as hydrocarbons or silicone oils.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der der ersten Stufe zugeordnete Wärmetauscher (2, 102, 202) wenigstens 9. Arrangement according to one of claims 1 to 8, characterized in that at least the heat exchanger associated with the first stage (2, 102, 202) at least
teilweise mit Solarenergie (3, 103, 203) versorgbar ist. partially supplied with solar energy (3, 103, 203).
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Wärmetauscher (9, 13, 109, 113, 209, 213) im Gegenstrom von Fluiden 10. Arrangement according to one of claims 1 to 9, characterized in that at least one heat exchanger (9, 13, 109, 113, 209, 213) in countercurrent of fluids
unterschiedlicher Stufen durchströmt wird. flows through different stages.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid vor einem Durchtritt durch einen nachgeschalteten Motor bzw. eine nachgeschaltete Turbine (11, 16, III, 116, 211, 216) in der jeweiligen11. Arrangement according to one of claims 2 to 10, characterized in that the fluid before passing through a downstream motor or a downstream turbine (11, 16, III, 116, 211, 216) in the respective
Stufe nacheinander zwei weiteren Wärmetauschern (209, 225, 213, 227) zuführbar ist. Step after another two heat exchangers (209, 225, 213, 227) can be fed.
12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten (209, 213) der zwei weiteren 12. Arrangement according to claim 11, characterized in that in a first (209, 213) of the two other
Wärmetauscher die nach der Nutzung für den Betrieb eines vorangeschalteten Motors bzw. einer vorangeschalteten Turbine (6, 11, 106, 111, 206, 211) verbleibende Wärme zur Erwärmung des Fluids nutzbar ist und dass in einem zweiten (225, 227) der zwei weiteren Wärmetauscher eine von extern zugeführte thermische Energie zur weiteren Erwärmung des Fluids nutzbar ist.  Heat exchanger after use for the operation of a preceding engine or a pre-connected turbine (6, 11, 106, 111, 206, 211) remaining heat for heating the fluid is available and that in a second (225, 227) of the two other Heat exchanger externally supplied thermal energy for further heating of the fluid is available.
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