WO2019001645A1 - Kraftwerk zur erzeugung von elektrischer energie - Google Patents

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WO2019001645A1
WO2019001645A1 PCT/DE2018/100601 DE2018100601W WO2019001645A1 WO 2019001645 A1 WO2019001645 A1 WO 2019001645A1 DE 2018100601 W DE2018100601 W DE 2018100601W WO 2019001645 A1 WO2019001645 A1 WO 2019001645A1
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power plant
centrifuge
heat
energy
flow channel
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PCT/DE2018/100601
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English (en)
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Inventor
Ingo Tjards
Original Assignee
Ingo Tjards
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Classifications

    • 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
    • F01K27/00—Plants for converting heat or fluid energy into mechanical energy, not otherwise provided for
    • F01K27/005—Plants for converting heat or fluid energy into mechanical energy, not otherwise provided for by means of hydraulic motors
    • 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
    • F01K7/00—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating

Definitions

  • the present invention relates to a power plant for generating electrical energy according to the preamble of patent claim 1.
  • WO0020071 13062A1 a building or a slope is described to achieve a fall height.
  • a wind turbine is arranged in the steam flow channel for increasing the efficiency.
  • larger structures are required to generate sufficient energy for the operation of a chiller.
  • WO 001996001363A1 a ground-level construction is used wherein a refrigerant evaporates, drives a motor and is further condensed to produce electrical energy in a cyclic process also from low-temperature heat, which is still above ambient temperature to produce. As a result, however, there is too little energy for the operation of a refrigerator.
  • the present invention is based on the object to provide a power plant, which eliminates the aforementioned problems.
  • the power plant according to the invention comprises a first flow channel in which steam generated by at least one evaporator rises to drive a turbine.
  • this power plant is characterized in that at least one second flow channel is provided in which liquefied liquid flows downwardly from the vapor by means of a condenser, the flow energy of the liquid flowing down the flow channel by means of at least one device for converting flow energy into rotational energy is converted.
  • iso-butane has a boiling point of -1 1, 7 ° C under normal conditions, and ethane with - 89 ° C, which allows the use of environmental heat.
  • Another form of low-heat use is the Kaiina process. There, a mixture of water and ammonia is used.
  • the noble gas argon offers (here the value for normal conditions) a heat sink of -186 ° C and also has an advantageous low enthalpy of vaporization, as with all noble gases on. Even with the ORC and Kaiina processes, a steam expansion turbine with its poor efficiency is used disadvantageously.
  • a second flow channel is located above a condenser, which liquefies the steam.
  • a condenser which liquefies the steam.
  • a small, but strongly cooled under condensation temperature part of the working medium can be sprayed into the second flow channel.
  • This method was already used by James Watt. This has the advantage of a rapid condensation of the saturated steam and a concomitant strong pressure reduction.
  • steam can flow from the vapor-phase flow channel. This flow energy can be used with a wind turbine.
  • the working fluid heat from waste heat or ambient heat is supplied. Either in a boiling sump at the bottom of the vapor phase flow channel or in the pressurized liquid and thereby overheatable working medium. It evaporates after flowing through the liquid turbine inside the centrifuge at the outer edge. From there rises the vaporous medium, also against the artificial gravity on.
  • the located in the second flow channel liquefied by a refrigerator working fluid, the enthalpy supplied during evaporation through the heat of condensation free again and is fed through the chiller, which then acts as a heat pump, the evaporator in a separate part of the heat exchanger.
  • the electrically operated chiller / heat pump can transport with a Kw four electric Kw amount of heat and thereby on the compressor side release a higher temperature than the boiling temperature of the working fluid.
  • a variant for driving the chiller is another water wheel only to operate the chiller. This is not shown separately in the drawing. Heat can be transferred.
  • the temperature difference between vapor phase and liquid phase is to be kept as low as possible. This is achieved by regulating the chiller and thermal insulation of the power plant.
  • the heat pump can recycle a part of the enthalpy of vaporization.
  • the heat of condensation is released in conventional power plants via cooling towers for feedwater condensation to the environment.
  • a power plant with 300MW discharges more than 300MW to the environment.
  • the condenser at the top in the second flow channel is designed such that the cross section gradually decreases and only liquid phase emerges at the lower end of the condenser.
  • liquid-phase flow channel At the bottom of the liquid-phase flow channel is a derivative of the water wheel.
  • a valve for flow control is provided in the line.
  • the exiting working medium is passed directly into the evaporator of the gas phase flow channel. The height of the liquid phase in the evaporator flow channel can thus be controlled.
  • the chiller acts at the same time with their own coolant circuit as a heat pump. It cools the vapor phase of the working medium, cools a small part of the working medium down to then spray this in the condenser and pumps the heat of condensation partly back into the evaporator or superheater of the gas phase flow channel.
  • the power plant is best insulated against the environment.
  • the present invention represents only one embodiment of the power plant according to the invention. There are other implementations conceivable, such.
  • a special form of power plant according to the invention can be used to reduce the emerging from a Naturzugkühlturm steam clouds, with their negative impact on the microclimate and the undesirable contamination with Legionella.
  • spray nozzles are mounted in the head of the cooling flow channel, which bring the steam to rain.
  • the rain is fed via catch basin in the head of the cooling flow channel, which then catch the water in a hydrostatic column and in turn with a water wheel in power for the operation of the power plant to deliver.
  • the catchment funnels are offset in height and thus allow a flow through the steam air mixture, however, the natural draft must be supplemented by fans here.
  • a centrifuge In order to obtain a sufficient artificial height for the liquid turbine, a centrifuge is used. For this purpose, there is a feed pump after the condenser. The liquid working medium is brought to a higher pressure therein so that heat can be supplied to the working medium in a heat exchanger without it starting to boil. So then ⁇ ri ⁇ this now superheated working fluid through a rotary feedthrough in the center of the centrifuge and is accelerated. At the outer edge of the centrifuge, the medium passes through a liquid turbine to generate electricity.
  • Rotary unions are used, for example, in hydraulic excavators and allow fluid and air passages up to more than 300 bar.
  • the generated electricity passes through lines through the rotary feedthrough to the consumers
  • a pressure control valve is provided that constructs a back pressure, prevents cavitation.
  • the overheated, immediately evaporating liquid then exits tangentially to the outer wall of the centrifuge from nozzles inside it and thus forms a reaction turbine which drives the centrifuge.
  • the steam now rises against the artificial gravity and cools down further.
  • the steam in a pipe passes through the rotary union. Then the steam flows through a wind turbine and further into the compressor. There, the steam is liquefied again.
  • a chiller The heat exchangers and ancillaries are located outside the centrifuge and can be built in the required size without making the centrifuge heavier or larger than required.
  • Gas phase flow channel and liquid phase flow channel are divided in the central chamber of the centrifuge from each other by a partition wall. The liquid phase enters the feed pump and the cycle is closed.
  • the arrangement of the heat exchanger outside the centrifuge allows larger dimensions, but does not contribute to the increase in weight of the centrifuge.
  • the centrifuge itself is located in a container which makes it possible to support the outer wall of the centrifuge.
  • rollers or magnetic levitation technology can be used. If necessary, too driving the centrifuge by magnetic levitation possible.
  • the speed can thus be controlled by braking or accelerating.
  • heating on the outside wall may be effected by e.g. Be installed piping in which a fluid introduces the heat from the heat source and thereby evaporates the working fluid.
  • Another application of the power plant according to the invention is suitable for cooling the air in the air separation.
  • the then cooled working fluid further heat is removed by a lower boiling point exhibiting working medium.
  • air can be further cooled step by step via air-liquid heat exchangers. This saves energy and enables a very cost-effective air separation.
  • the power plant itself is already a chiller.
  • the heat of the environment evaporates a liquid having a boiling point under the supplied heat.
  • a heat sink is given.
  • the steam at the same temperature as the boiling sump, absorbs enthalpy in the form of separation work against the van der Waals forces (gecko force). Further separation work is included for overcoming the dipole forces. These absorbed forces cause the vapor to rise.
  • the barometric formula shows that enthalpy has been converted into energy. Consequently, temperature and pressure decrease during work at height. For condensation, this enthalpy, which is already partially converted into potential energy, dissipate again by the compressor and radiator. Since a heat pump with a coefficient of performance of 5 kW for 1 kW can transport 4 kW of heat, a usable energy balance remains.
  • the filled column represents a thermal energy power plant like a dam power plant. The higher this energy is to be generated.
  • buildings or shafts are used there, but this is not sufficient height available.
  • centrifuge can offer this artificially.
  • the ascending and descending masses e.g. A kg per second are in the balance and do not lead to the pirouette effect. Weight outward slower and vice versa. So the centrifuge is not a pump with energy consumption, but a flywheel, which requires little energy to rotate as soon as it is at speed.
  • the energy output increases with the "height" more than the energy required for condensation by a chiller. Evaporation enthalpy and heat of condensation are approximately equal.
  • the use of the aforementioned power plant can provide renewable energy from ambient heat without emissions, without direct sunlight, day and night, without energy crop monocultures and calm.
  • the space requirement is low enough to be used on ships.
  • FIG. 1 shows the power plant in an embodiment as a functional diagram
  • FIG. 2 shows the power plant in a further embodiment with centrifuge and external heat exchangers and ancillaries
  • At least a first preferably tower-like flow channel 2 is provided, in which by means of at least one evaporator 7 / heat exchanger 7.1 generated steam 19 against gravity, alternatively by a centrifuge 22 artificially generated gravity, rises in it a turbine 10.2 driving, and at least a second flow channel 3 is provided, in which by means of a condenser 10 liquefied liquid flows down from the steam, wherein the flow energy of the liquid flowing down the flow channel 3 by means of at least one device 4 for converting flow energy into rotational energy converted becomes.
  • the tower 2 in the function corresponding centrifuge 22 has in the interior of the surrounding housing 21 rollers 20 or magnetic levitation technology 20.1, on which centrifuge wall 22 can be supported. Liquid phase and vapor phase pass through rotary unions 25 in and out of the turbine on and off.
  • a supply line 17, 1 7.1 heat from waste heat, from e.g. CHP, solar heat, geothermal, conventional power plants, industrial processes or environment, heat supplied and the cooled heat exchanger (eg water vapor, water, air, thermal oil, etc.) returned by return 18, 18.1 to the heat supplier.
  • waste heat from e.g. CHP, solar heat, geothermal, conventional power plants, industrial processes or environment
  • the cooled heat exchanger eg water vapor, water, air, thermal oil, etc.
  • the saturated steam 19 rises in the flow channel 2 by means of the vapor pressure and is cooled in a condenser 10 after compression in a compressor 10.1 in a chiller 8 or by delivery to the environment and runs into the liquid phase column 3, this up filling.
  • the liquid intended for spraying, cooled working fluid passes through a conduit 12 into the refrigerator 8, which has its own cooling circuit.
  • the evaporator 7, 7.1 is used by means of the lines 15 and 16.
  • the cooling of the condenser 10 is advantageously carried out by a supply line 9 and a laxative line 1 1 to the chiller. 8
  • the thus filled liquid-phase flow channel 3 forms hydrostatic pressure, controlled by means of the water wheel 4 and by the pressure control valve 5.1, shaft power to a generator for power generation.
  • Liquid phase and vapor phase channel are separated from each other in the centrifuge 22 by partition wall 23, so that only through the turbine generator unit 4 working medium enters the vapor phase channel 2.
  • the necessary for evaporation heat energy is supplied outside the centrifuge 22 in the superheater 7.1 through the lines 17 and 18 and brought to avoid premature boiling by a feed pump 24 to higher pressure.
  • the working medium can thus be overheated and evaporates only after leaving the pressure regulating valve 5.1 in the nozzle 5.2.
  • a heating line 17.1 and 18.1 also leads the heat necessary for the evaporation through the rotary feedthrough 25 into the centrifuge 22 from the heat source.
  • the power plant according to the invention is not limited in its execution to the above-mentioned preferred embodiments. Rather, a variety of design variations are possible, which make use of the solution shown even with fundamentally different type of execution.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftwerk zur Erzeugung elektrischer Energie mit einem ersten Strömungskanal (2), in dem mittels mindestens eines Verdampfers (7) erzeugter Dampf emporsteigt, um eine Turbine (10.2) anzutreiben. Das erfindungsgemäße Kraftwerk (1) ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zweiter Strömungskanal (3) vorgesehen ist, in dem mittels eines Kondensators ( 10) aus dem Dampf (19) verflüssigte Flüssigkeit hinunter strömt, wobei die Srömungsenergie der den Strömungskanal (3) hinunter strömenden Flüssigkeit mittels mindestens einer Vorrichtung (4) zur Umwandlung von Strömungsenergie in Rotationsenergie umgewandelt wird.

Description

Kraftwerk zur Erzeugung elektrischer Energie
BESCHREIBUNG
Technisches Gebiet
[001 ] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftwerk zur Erzeugung von elektrischer Energie gemäß dem Obersatz des Patentanspruchs 1 .
Stand der Technik
[002] Es sind aus dem Stand der Technik unlängst Kraftwerke zur Stromerzeugung bekannt, bei denen die thermische Energie von Wasserdampf in einer Dampfturbine ausgenutzt wird. Nachteilig bei den bestehenden Druckentspannungsturbinen ist jedoch, dass diese einen geringen Wirkungsgrad aufweisen. Im Mittel ca. 40-45 Prozent . Ein Wasserrad jedoch über 90 Prozent.
[003] In DE102014107034A1 ist eine Lösung dargestellt in der Wasserdampf in einem Schacht unten verdampft und oben verflüssigt, ein Fallrohr hinabfällt und eine Turbine antreibt.
[004] In WO0020071 13062A1 ist zum Erreichen einer Fallhöhe ein Gebäude oder eine Hanglage beschrieben. Zusätzlich ist eine Windturbine im Dampfströmungskanal zwecks Wirkungsgraderhöhung angeordnet. Es sind hierzu jedoch größere Bauwerke erforderlich um auch ausreichende Energie für den Betrieb einer Kältemaschine zu generieren.
[005] Z.B. kommt in WO 001996001363A1 eine ebenerdige Konstruktion zum Einsatz worin ein Kältemittel verdampft , einen Motor antreibt und im weiteren kondensiert wird , um in einem Kreisprozess elektrische Energie auch aus Niedertemperaturwärme, die jedoch noch über Umgebungstemperatur liegt, zu erzeugen. Dadurch ist jedoch zu wenig Energie für den Betrieb einer Kältemaschine vorhanden.
Darstellung der Erfindung
[006] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Kraftwerk zu schaffen, welches die vorgenannten Probleme ausräumt.
[007] Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftwerkes sind in den abhängigen Unteransprüchen angegeben.
[008] Das erfindungsgemäße Kraftwerk umfasst einen ersten Strömungskanal, in dem mittels mindestens eines Verdampfers erzeugter Dampf emporsteigt, um eine Turbine anzutreiben.
[009] Erfindungsgemäß ist dieses Kraftwerk dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zweiter Strömungskanal vorgesehen ist, in dem mittels eines Kondensators aus dem Dampf verflüssigte Flüssigkeit hinunter strömt, wobei die Srömungsenergie der den Strömungskanal hinunter strömenden Flüssigkeit mittels mindestens einer Vorrichtung zur Umwandlung von Strömungsenergie in Rotationsenergie umgewandelt wird.
[0010] Zum Beispiel hat Iso-Butan einen Siedepunkt von -1 1 ,7°C unter Normalbedingungen, sowie Ethan mit - 89°C, was eine Nutzung von Umweltwärme ermöglicht. Eine andere Form der Niedrigwärme Nutzung stellt der Kaiina Prozess dar. Dort kommt ein Gemisch aus Wasser und Ammoniak zum Einsatz. Das Edelgas Argon bietet (hier der Wert für Normalbedingungen) eine Wärmesenke von -186°C an und weist zudem eine vorteilhaft niedrige Verdampfungsenthalpie, wie bei allen Edelgasen, auf. Auch bei den ORC und Kaiina Prozessen kommt eine Dampfentspannungsturbine mit ihrem schlechten Wirkungsgrad nachteilig zum Einsatz.
[001 1 ] Die im weiteren "Arbeitsmedium" genannten Flüssigkeiten von Wasser über organische Flüssigkeiten oder Mischungen werden hier nicht näher beschrieben. Sind jedoch den Fachleuten hinreichend bekannt. Das Arbeitsmedium steigt in einem Strömungskanal bedingt durch den Dampfdruck auf.
[0012] In einem zweiten Strömungskanal befindet sich oben ein Verflüssiger, der den Dampf verflüssigt. Dazu kann auch ein geringer, aber stark unter Kondensationstemperatur gekühlter Teil des Arbeitsmediums in den zweiten Strömungskanal eingesprüht werden. Dies Verfahren wurde schon von James Watt angewandt. Dies hat den Vorteil einer raschen Kondensation des Sattdampfes und einer damit einhergehenden starken Druckreduzierung. Somit kann aus dem Dampfphasen-Strömungskanal Dampf nachströmen. Diese Strömungsenergie ist mit einem Windrad nutzbar.
[0013] Dem Arbeitsmedium wird Wärme aus Abwärme oder Umgebungswärme zugeführt. Entweder in einem Siedesumpf am Boden des Dampfphasen-Strömungskanal oder in das unter Druck stehende flüssige und dadurch überhitzbare Arbeitsmedium. Es verdampft nach dem Durchströmen der Flüssigkeitsturbine im inneren der Zentrifuge an deren Außenrand. Von dort steigt das dampfförmige Medium, auch gegen die künstliche Schwerkraft, auf.
[0014] Das im zweiten Strömungskanal befindliche, durch eine Kältemaschine verflüssigte Arbeitsmedium, setzt die beim Verdampfen zugeführte Enthalpie durch die Kondensationswärme wieder frei und wird durch die Kältemaschine, die dann als Wärmepumpe fungiert, dem Verdampfer in einem separaten Teil des Wärmetauschers wieder zugeführt . Die elektrisch betriebene Kältemaschine / Wärmepumpe kann mit einem Kw elektrisch vier Kw Wärmemenge transportieren und dabei auf der Verdichterseite eine höhere Temperatur freisetzen als die Siedetemperatur des Arbeitsmediums. Eine Variante für den Antrieb der Kältemaschine stellt ein weiteres Wasserrad nur zum Betreiben der Kältemaschine dar. Dies ist nicht in der Zeichnung extra aufgezeigt. Wärme kann übertragen werden.
[0015] Während des Prozesses ist der Temperaturunterschied zwischen Dampfphase und Flüssigphase so gering wie möglich zu halten. Dies wird durch Regulation der Kältemaschine und eine Wärmedämmung des Kraftwerks erreicht.
[001 6] Somit kann die Wärmepumpe einen Teil der Verdampfungsenthalpie wieder verwerten. Die Kondensationswärme wird in konventionellen Kraftwerken über Kühltürme zur Speisewasserkondensation an die Umwelt abgegeben. Ein Kraftwerk mit 300MW entlässt mehr als 300MW an die Umwelt.
[001 7] Der Verflüssiger oben im zweiten Strömungskanal ist so ausgebildet, dass sich der Querschnitt nach und nach verkleinert und am unteren Ende des Verflüssigers nur Flüssigphase austritt.
[0018] Am Boden des Flüssigphasen Strömungskanals befindet sich eine Ableitung zum Wasserrad. In der Leitung ist ein Ventil zur Durchflussmen- genregelung vorgesehen. Das austretende Arbeitsmedium wird direkt in den Verdampfer des Gasphasen-Strömungskanals geleitet. Die Höhe der Flüssigphase im Verdampferströmungskanal kann somit kontrolliert werden.
[0019] Die Kältemaschine fungiert zugleich mit ihrem eigenen Kühlmittelkreislauf als Wärmepumpe. Sie kühlt die Dampfphase des Arbeitsmediums ab, kühlt einen geringen Teil des Arbeitsmediums herunter um diesen dann im Kondensator einzusprühen und pumpt die Kondensationswärme zum Teil wieder in den Verdampfer oder Überhitzer des Gasphasen Strömungskanals. [0020] Um das Temperaturgefälle gegenüber dem Wärmelieferanten zu erhalten ist die Kraftwerk gegenüber der Umwelt bestmöglich gedämmt.
[0021 ] Die vorliegende Erfindung stellt nur eine Ausführung des erfindungsgemäßen Kraftwerks dar. Es sind andere Umsetzungen denkbar, wie z. B. Kühlung von Gebäuden mit gleichzeitiger Stromerzeugung.
[0022] Eine Sonderform des erfindungsgemäßen Kraftwerks kann dazu genutzt werden die aus einem Naturzugkühlturm austretenden Dampfschwaden, mit ihren negativen Einfluss auf das Mikroklima und der unerwünschten Kontaminierung mit Legionellen, zu reduzieren.
[0023] Dazu sind im Kopf des Kühl-Strömungskanals Sprühdüsen angebracht, die den Dampf zum Abregnen bringen. Der Regen wird über Auffangtrichter im Kopf des Kühl-Strömungskanals, die das Wasser dann auffangen, in eine hydrostatische Säule geführt und wiederum mit einem Wasserrad in Leistung für den Betrieb des Kraftwerks zu liefern. Die Auffangtrichter sind höhenmäßig versetzt und erlauben dadurch ein Durchströmen des Dampf Luftgemisches allerdings muss hierbei der Naturzug durch Ventilatoren ergänzt werden.
[0024] In ähnlicher Weise findet dieser Prozess schon in der Natur statt. Wasser verdampft im Ozean, kühlt diesen ab und der Wasserdampf steigt auf. In der Höhe kondensiert er zu Wolken, regnet ab und füllt z. B. ein Talsperrenkraftwerk. Diese Erfindung stellt eine technische Umsetzung dar.
[0025] Um eine ausreichende künstliche Höhe für die Flüssigkeitsturbine zu erhalten kommt eine Zentrifuge zum Einsatz. Dazu befindet sich nach dem Verflüssiger eine Speisepumpe. Das flüssige Arbeitsmedium wird darin auf einen höheren Druck gebracht, damit dem Arbeitsmedium Wärme in einem Wärmetauscher zugeführt werden kann, ohne das es beginnt zu sieden. [0026] So dann†ri†† dies nun überhitzte Arbeitsmedium durch eine Drehdurchführung in die Mitte der Zentrifuge ein und wird beschleunigt. Am Außenrand der Zentrifuge durchläuft das Medium eine Flüssigkeitsturbine zur Erzeugung von Strom. Drehdurchführungen sind z.B. in Hydraulikbaggern eingesetzt und ermöglichen Flüssigkeits- und Luftdurchgänge bis über 300 bar.
Der erzeugte Strom gelangt über Leitungen durch die Drehdurchführung an die Verbraucher
[0027] An der Austrittseite der Turbine ist ein Druckregelventil vorgesehen, dass einen Gegendruck aufbauend, Kavitation verhindert. Die überhitzte, sofort verdampfende Flüssigkeit tritt dann tangential zur Außenwand der Zentrifuge aus Düsen im Inneren derselben aus und bildet somit eine Reaktionsturbine, die die Zentrifuge antreibt. Der Dampf steigt nun gegen die künstliche Schwerkraft auf und kühlt dabei weiter ab. In der Mitte der Zentrifuge tritt der Dampf in einem Rohr durch die Drehdurchführung aus. Anschließend durchströmt der Dampf ein Windrad und weiter in den Verdichter. Dort wird der Dampf wieder verflüssigt. Gegebenenfalls auch durch eine Kältemaschine. Die Wärmeüberträger und Nebenaggregate befinden sich außerhalb der Zentrifuge und können so in erforderlicher Größe gebaut werden ohne die Zentrifuge schwerer oder größer zu bauen als erforderlich. Gasphasen - Strömungskanal und Flüssigphasen- Strömungskanal sind in der zentralen Kammer der Zentrifuge voneinander durch eine Trennwand unterteilt. Die Flüssigphase gelangt in die Speisepumpe und der Kreisprozess ist geschlossen.
[0028] Die Anordnung der Wärmetauscher außerhalb der Zentrifuge ermöglicht größere Abmaße, trägt aber nicht zur Gewichtzunahme der Zentrifuge bei.
[0029] Die Zentrifuge selbst befindet sich in einem Behälter, der es ermöglicht die Außenwand der Zentrifuge zu stützen. Dazu können Rollen oder Magnetschwebetechnik genutzt werden. Falls erforderlich ist auch ein Antreiben der Zentrifuge mittels der Magnetschwebetechnik möglich. Ebenso kann die Drehzahl damit durch Abbremsen oder Beschleunigen geregelt werden.
[0030] Alternativ zur Überhitzung des Arbeitsmediums außerhalb der Zentrifuge kann an der Außenwand eine Heizung durch z.B. Rohrleitungen angebracht sein, in denen ein Fluid die Wärme aus der Wärmequelle einbringt und dadurch das Arbeitsmedium verdampft.
[0031 ] Eine weitere Anwendung des erfindungsgemäßen Kraftwerks ist geeignet, um bei der Luftzerlegung die Luft abzukühlen. An der Austrittsleitung wird dem dann abgekühlten Arbeitsfluid weitere Wärme durch ein einen niedrigeren Siedepunkt aufweisendes Arbeitsmedium entnommen. In einer Kolonne aus mehreren nacheinander gelegenen erfindungsgemäßen Kraftwerken kann Luft über Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher schrittweise weiter abgekühlt werden. Dies spart Energie und ermöglicht eine sehr kostengünstige Luftzerlegung. Das Kraftwerk an sich stellt schon eine Kältemaschine dar.
Kurzbeschreibung der Energiebilanz
[0032] Die Wärme der Umgebung verdampft eine Flüssigkeit mit einem Siedepunkt unter der zugeführten Wärme. Eine Wärmesenke ist gegeben. Der Dampf, bei gleicher Temperatur wie der Siedsumpf, nimmt Enthalpie in Form von Trennungsarbeit gegen die van der Waals Kräfte(Gecko-Kraft) auf. Weitere Trennungsarbeit ist für die Überwindung der Dipol Kräfte aufgenommen. Diese aufgenommenen Kräfte bewirken ein Aufsteigen des Dampfes. Die barometrische Höhenformel zeigt, dass Enthalpie in Lageenergie umgewandelt ist. Bei der Höhenarbeit sinkt folglich Temperatur und Druck. [0033] Zur Kondensation ist diese Enthalpie, die zum Teil schon in Lageenergie umgewandelt ist, wieder abzuführen und zwar durch Verdichter und Kühler. Da eine Wärmepumpe mit Leistungszahl 5 für 1 Kw elektrisch 4 Kw Wärme transportieren kann bleibt eine nutzbare Energiebilanz. Im Weiteren stellt die gefüllte Säule ein Lageenergiekraftwerk wie ein Talsperrenkraftwerk dar. Je höher diese umso mehr Energie ist zu generieren. Wie in der zitierten Patentliteratur erwähnt werden dort Gebäude oder Schächte zum Einsatz gebracht, dadurch steht jedoch nicht ausreichende Höhe zur Verfügung.
[0034] Eine Zentrifuge kann dies künstlich bieten. Die aufsteigenden und herabfallenden Massen, z.B. Ein Kg pro Sekunde sind in der Waage und führen so nicht zum Pirouetteneffekt. Gewicht nach außen langsameres rotieren und umgekehrt. So ist die Zentrifuge keine Pumpe mit Energieverbrauch, sondern ein Schwungrad, welches geringe Energie zum rotieren benötigt, sobald es auf Drehzahl gebracht ist.
[0035] Der Energieertrag steigt mit der "Höhe" stärker an, als der Energiebedarf für die Kondensation durch eine Kältemaschine. Verdampfungsenthalpie und Kondensationswärme sind annähernd gleich.
[0036] Der Einsatz des vorgenannten Kraftwerks kann ohne Emissionen, ohne direkte Sonneneinstrahlung, bei Tag und Nacht, ohne Energiepflanzenmonokulturen und bei Windstille regenerativen Strom aus Umgebungswärme bereitstellen. Der Platzbedarf ist gering genug um auch auf Schiffen zum Einsatz zu kommen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
[0037] Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Kraftwerks ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkma- le für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von der Zusammenfassung in einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
[0038] In den Zeichnungen zeigen
[0039] Fig. 1 das Kraftwerk in einer Ausführung als Funktionsschema;
[0040] Fig.2 das Kraftwerk in einer weiteren Ausführung mit Zentrifuge und außenliegenden Wärmetauschern und Nebenaggregaten;
[0041 ] Fig.3 das Kraftwerk mit Zentrifuge in der Draufsicht im Schnitt l-l, wobei die einzelnen Komponenten des erfindungsgemäßen Kraftwerks als Schema dargestellt sind.
Ausführung der Erfindung
[0042] Wie aus Fig.l ersichtlich, ist zumindest ein erster vorzugsweise turmartiger Strömungskanal 2 vorgesehen, in dem mittels mindestens eines Verdampfers 7 / Wärmetauscher 7.1 erzeugter Dampf 19 gegen die Schwerkraft, alternativ auch durch eine Zentrifuge 22 künstlich erzeugte Schwerkraft, emporsteigt, darin eine Turbine 10.2 antreibend, und zumindest ein zweiter Strömungskanal 3 vorgesehen ist, in dem mittels eines Kondensators 10 aus dem Dampf verflüssigte Flüssigkeit hinunter strömt, wobei die Strömungsenergie der den Strömungskanal 3 hinunter strömenden Flüssigkeit mittels mindestens einer Vorrichtung 4 zur Umwandlung von Strömungsenergie in Rotationsenergie umgewandelt wird.
[0043] Die dem Turm 2 in der Funktion entsprechende Zentrifuge 22 weist im Inneren des umgebenden Gehäuses 21 Rollen 20 oder Magnetschwebetechnik 20.1 auf, an dem sich Zentrifugenwand 22 abstützen kann. [0044] Flüssigphase und Dampfphase treten durch Drehdurchführungen 25 in bzw. aus der Turbine ein und aus.
[0045] Durch Verdampfen/überhitzen eines Arbeitsmediums in einem Verdampfer 7 / Wärmetauscher 7.1 wird somit ein Dampfphasen- Strömungskanal 2 mit Sattdampf 19 gefüllt.
[0046] Dazu wird durch eine Zuleitung 17, 1 7.1 Wärme aus Abwärme, von z.B. BHKW, Sonnenwärme, Geothermie, konventionellen Kraftwerken, industriellen Prozessen oder Umgebung, Wärme zugeführt und der abgekühlte Wärmeüberträger (z. B. Wasserdampf, Wasser, Luft, Thermoöl etc.) durch Rückleitung 18, 18.1 zum Wärmelieferanten zurückgeführt.
[0047] Der Sattdampf 19 steigt in dem Strömungskanal 2 mittels des Dampfdruckes empor und wird in einem Verflüssiger 10 nach Verdichtung in einem Verdichter 10.1 in einer Kältemaschine 8 oder durch Abgabe an die Umgebung abgekühlt und läuft in die Flüssigphasensäule 3, diese bis oben füllend.
[0048] Das flüssige zum Einsprühen vorgesehene, abzukühlende Arbeitsmedium gelangt durch eine Leitung 12 in die Kältemaschine 8, die einen eigenen Kühlkreislauf aufweist. Als Wärmesenke für die Kältemaschine 8 wird der Verdampfer 7, 7.1 mittels der Leitungen 15 und 16 genutzt.
[0049] Zur Vermeidung von Wärmezutritt in die Anlage ist diese mit einer Wärmedämmung 26 versehen, so dass nur durch die Leitungen 17 und 18 bzw. 1 7.1 und 18.1 Wärme zugeführt werden kann.
[0050] Die Kühlung des Verflüssigers 10 erfolgt vorteilhaft durch eine Zufuhrleitung 9 und eine abführende Leitung 1 1 zur Kältemaschine 8. [0051 ] Der somit gefüllte Flüssigphasen-Strömungskanal 3 bildet hydrostatischen Druck aus, der mithilfe des Wasserrades 4 und durch das Druckregelventil 5.1 gesteuert, Wellenleistung an einen Generator zur Stromerzeugung liefert.
[0052] Flüssigphasen- und Dampfphasenkanal sind in der Zentrifuge 22 durch Trennwand 23 voneinander getrennt, so dass nur durch die Turbinen-Generator Einheit 4 Arbeitsmedium in den Dampfphasenkanal 2 gelangt.
[0053] Die zur Verdampfung notwendige Wärmeenergie wird außerhalb der Zentrifuge 22 in den Überhitzer 7.1 durch die Leitungen 17 und 18 zugeführt und zur Vermeidung von vorzeitigem Sieden durch eine Speisepumpe 24 auf höheren Druck gebracht. Das Arbeitsmedium kann somit überhitzt werden und verdampft erst nach Austritt aus dem Druckregelventil 5.1 in der Düse 5.2.
[0054] Alternativ führt eine Heizleitung 17.1 und 18.1 die zur Verdampfung notwendige Wärme ebenfalls durch die Drehdurchführung 25 in die Zentrifuge 22 aus der Wärmequelle zu.
[0055] Das erfindungsgemäße Kraftwerk beschränkt sich in seiner Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsformen. Vielmehr sind eine Vielzahl von Ausgestaltungsvariationen denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteter Ausführung Gebrauch machen.
[0056] Als zum Beispiel zur Einrichtung von Habitaten auf dem Saturnmond Titan oder durch Entnahme von Wärme aus einem Habitat auf der Venus. In Ariden Zonen auch Kühlung von Gebäuden und mit dem Strom Meerwasser entsa Izen. Liste der Bezugsziffern
I Kraftwerk
1 .1 Kraftwerk in der Ausführung mit Zentrifuge
2 Gasphasen-Strömungskanal
3 Flüssigphasen-Strömungskanal
4 Wasserrad- Generatoreinheit
5 Zuleitung zum Verdampfer mit Druckregelventil
5.1 Druckregelventil mit Düse(5.2)
6 Zuleitung zum Verdampfer /Überhitzer
7 Verdampfer
7.1 Überhitzer
8 Kältemaschine
9 Kühlkreisleitung zum Kondensator
io Kondensator
10.1 Verdichter
10.2 Windturbine
I I Rückleitung vom Kondensator
12 Entnahmeleitung zur Kältemaschine
13 Leitung zur Einsprühdüse
13.1 Einsprühdüse
14 Pumpe für die Einsprühdüse
15 Zufuhrleitung zum Verdampfer 7 bzw. Überhitzer 7.1 aus der
Kältemaschine
16 Rückleitung vom Verdampfer zur Kältemaschine 8
17 Wärmezufuhrleitung von der externen Wärmequelle 17.1 Wärmezufuhrleitung in der Zentrifuge
18 Rückleitung zur externen Wärmequelle
18.1 Rückleitung aus der Zentrifuge zur externen Wärmequelle 19 Sattdampf
20 Stützrollen
20.1 Magnetschwebetechnik
21 Schutz und Stützgehäuse Zentrifugenwand
Trennwand Dampf - Flüssigkeif Speisepumpe
Drehdurchführung
Wärmedämmung

Claims

PATENTANSPRÜCHE
Kraftwerk ( 1 , 1 .1 ) zur Erzeugung elektrischer Energie mit einem ersten Strömungskanal (2), in dem mittels mindestens eines Verdampfers (7) erzeugter Dampf emporsteigt, um eine Turbine (10.
2) anzutreiben,
dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens ein zweiter Strömungskanal (3) vorgesehen ist, in dem mittels eines Kondensators ( 10) aus dem Dampf (19) verflüssigte Flüssigkeit hinunter strömt, wobei die Srömungsenergie der den Strömungskanal
(3) hinunter strömenden Flüssigkeit mittels mindestens einer Vorrichtung (4) zur Umwandlung von Strömungsenergie in Rotationsenergie umgewandelt wird.
Kraftwerk (1 , 1 .1 ) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Dgmpf (19) innerhglb des Strömungskongls (2) gegen die Schwerkraft oder durch mittels einer Zentrifuge (22) künstlich erzeugter Schwerkraft gufsteigt
Kraftwerk (1 , 1 .1 ) ngch Anspruch 1 oder 2,
dodurch gekennzeichnet, dgss
die Kühlleistung zur Kondensotion des Arbeitsmediums durch Wär- megbggbe an die Umwelt oder durch eine Kältemaschine(8) bereitgestellt wird, wobei die Wärmemenge eines Kältemaschinenkreisprozesses in den Verdampfer (7) oder Überhitzer (7.1 ) transportiert wird.
4. Kraftwerk (1 , 1 .1 ) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
in die Dampfphase stark gekühltes Arbeitsmedium eingesprüht wird.
5. Kraftwerk ( 1 , 1 .1 ) nach einem der vorangegangenen Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Zentrifuge (22) mit Rollen(20) oder mit Mognetschwebetechnik (20.1 ) an einem die Zentrifuge (22) umgebenden Gehäuse (21 ) abgestützt ist.
6. Kraftwerk ( 1 , 1 .1 ) nach einem der vorangegangenen Ansprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
dgs Arbeitsmedium tgngentigl zur Außenwgnd der Zentrifuge (22) durch eine oder mehrere Düsen (5.2) gustritt und dgdurch Antrieb für die Zentrifuge (22) erzeugt.
7. Kraftwerk (1 , 1 .1 ) ngch einem der vorongeggngenen Ansprüche, dgdurch gekennzeichnet, dgss
die Flüssigkeit eine niedrige Verdgmpfungsenthglpie gufweist.
Kraftwerk (1 , 1 .1 ) ngch einem der vorongeggngenen Ansprüche, dgdurch gekennzeichnet, dgss
dgs Kraftwerk ( 1 ) gegenüber der Umwelt mit Wärmedämmung (26)vor Zutritt von Umgebungswärme geschützt ist.
9. Kraftwerk (1, 1.1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche 3 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Überhitzer (7.1) das Arbeitsmedium außerhalb der Zentrifuge (22) aufheizt.
10. Kraftwerk (1, 1.1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
eine Speisepumpe (24) den Druck in der Flüssigphgsenleitung (6) über den Siedepunkt gnhebt.
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