DE10007685A1

DE10007685A1 - Power station with CO2 liquid as working medium has integral fluid circuit of feed pipe with turbine driving generator, and return pipe with pressure build-up unit

Info

Publication number: DE10007685A1
Application number: DE10007685A
Authority: DE
Inventors: K Holder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-11-29
Filing date: 2000-02-19
Publication date: 2001-05-31

Abstract

The power station has a feed pipe (6) with at least one turbine (17), e.g. a fluid turbine diving a generator (19), and a return pipe (7) with at least one pressure build-up unit (14). Feed and return pipes are connected to form an integrated fluid circuit. The feed pipe extends from a high pressure vessel (2) to a low pressure vessel (3), and the return pipe extends from low pressure to high pressure vessel. Each vessel is divided into two chambers, with a first chamber containing liquid CO2, and a second chamber containing gas or nitrogen. Both vessels are charged with thermal energy via heat exchangers (8,9).

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftstation mit CO₂ Flüssigkeit als Arbeitsmedium mit den Merkmalen des Anspruchs 1.The invention relates to a power station with CO ₂ liquid as the working medium with the features of claim 1.

Der Wirkungsgrad und die u. a. daraus resultierenden Einsatzmöglichkeiten von bekannten Kraftstationen mit z. B. Explosionsmotor, Dampfmaschinen oder Gasturbinen sind ungenügend. Die ungenügenden Wirkungsgrade sind u. a. auf die hohen Temperaturniveaus zurück zu führen, bei denen die Zustandsänderungen der Arbeitsmedien auftreten.The efficiency and u. a. resulting Possible uses of known multi-gyms with z. B. Are explosion engines, steam engines or gas turbines insufficient. The inefficiencies are u. a. on the high temperature levels at which the Changes in the state of the working media occur.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kraftstation mit verbessertem Wirkungsgrad und vielfachen Einsatzmöglichkeiten zu schaffen.The object of the invention is to provide a multi-gym improved efficiency and multiple uses to accomplish.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einer Kraftstation mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.The task is solved with a multi-gym with the Features of claim 1. Advantageous embodiments of the Invention are described in the subclaims.

Die Erfindung ist gerichtet auf eine Kraftstation mit CO2 Flüssigkeit als Arbeitsmedium mit einer Vorlaufleitung mit mindestens einer Turbine oder Kolbenmotor und einer Rücklaufleitung vom Niederdruckbehälter mit mindestens einer Druckaufbaueinrichtung, wobei Vorlaufleitung und Rücklaufleitung einen geschlossenen Kreislauf bilden, und insbesondere auf eine Kraftstation mit CO2 Flüssigkeit als Arbeitsmedium mit einem Hochdruckbehälter, einem Niederdruckbehälter, einer Vorlaufleitung mit mindestens einer Turbine oder Kolbenmotor vom Hochdruckbehälter zum Niederdruckbehälter, und einer Rücklaufleitung vom Niederdruckbehälter zum Hochdruckbehälter mit mindestens einer Druckaufbaueinrichtung.The invention is directed to a power station with CO2 Liquid as working medium with a flow line at least one turbine or piston engine and one Return line from the low pressure tank with at least one Pressure build-up device, with flow line and Return line form a closed circuit, and especially on a multi-gym with CO2 liquid as Working medium with a high pressure container, one Low pressure tank, a flow line with at least a turbine or piston engine from the high pressure tank to Low pressure tank, and a return line from Low pressure tank to high pressure tank with at least a pressure build-up device.

Der Wirkungsgrad einer Kraftstation mit CO2 Flüssigkeit ist u. a. abhängig vom gewählten Druck- bzw. Temperaturbereich. Bei den Drücken des Beispieles (z. B. 90/180 bar) sind theoretisch Werte von bis zu 50% möglich (d. h. die Umwandlung von hinein gesteckte thermische Energie in mechanische oder in elektrische Energie). Voraussetzung für den Betrieb einer solchen Kraftstation sind zur Verfügung stehende Wärmeenergien mit einer Mindesttemperatur von ca. 20°C bis 40°C und in geringerem Umfang Kälteleistungen auf einem Temperaturniveau von ca. minus 10°C bis ca. plus 10°C, abhängig vom gewählten Temperaturbereich.The efficiency of a multi-gym with CO2 liquid is u. a. depending on the selected pressure or temperature range. At the pressures in the example (e.g. 90/180 bar) theoretically, values of up to 50% are possible (i.e. the Converting thermal energy into mechanical or electrical energy). requirement for the operation of such a power station are available standing thermal energy with a minimum temperature of approx. 20 ° C to 40 ° C and to a lesser extent cooling capacities a temperature level of approx. minus 10 ° C to approx. plus 10 ° C, depending on the selected temperature range.

Die erfindungsgemäße Kraftstation mit CO₂ Flüssigkeit ist ein Energiewandler, welcher thermische Energie mit niedrigem Temperaturniveau über den Aufbau eines Druckes in einer Flüssigkeit und einer nachfolgenden Turbine oder Kolbenmotoren/Generatoreinheit in mechanische, respektive elektrische Leistung umformt. Die Kraftstation baut auf den folgenden physikalischen Prinzipien auf:
The power station according to the invention with CO ₂ liquid is an energy converter which converts thermal energy with a low temperature level into mechanical or electrical power by building up a pressure in a liquid and a subsequent turbine or piston engine / generator unit. The multi-gym is based on the following physical principles:

1. the physical data of liquid CO 2 , in particular depending on the density of pressure and temperature,
2. the physical / technical principles of a Liquid turbine or piston engine.

Die Kraftstation arbeitet intern mit relativ kleinen Temperaturdifferenzen auf niedrigem Temperaturniveau (zwischen 0-30°C). Als Energiequelle können beliebige Wärmequellen verwendet werden. Die Kraftstation ist daher vor allem auch für die Nutzung von Wärme auf niedrigem Temperaturniveau, wie z. B. für Solarenergie geeignet.The multi-gym works internally with relatively small ones Temperature differences at a low temperature level (between 0-30 ° C). Any energy source can be used Heat sources are used. The multi-gym is therefore in front especially for the use of heat at low Temperature level, such as B. suitable for solar energy.

Die Kraftstation basiert auf einem Flüssigkeitskreislauf. Differenzdruck zwischen zwei Flüssigkeitsspeichern wird über eine Flüssigkeitsturbine in mechanische Energie umgewandelt, analog einer Wasserturbine. Anstelle des Druckes durch die Höhenunterschiede der Wasserniveaus bei einer Wasserkraftmaschine wird gemäß der Erfindung der Druckaufbau in der Flüssigkeit selbst durch Erwärmung der Flüssigkeit erzielt. Die Flüssigkeit besteht hierbei aus flüssigem CO2 unter hohem Druck. Flüssiges CO2 ändert im Gegensatz zu Wasser die Dichte bei Erwärmung. Bei Erwärmung von flüssigen CO2 in einem geschlossenen Behälter kann sich die Flüssigkeit nicht ausdehnen und man erhält dadurch einen hohen Druckanstieg. Mittels zweier im Volumen variabler Druckkammern mit flüssigem CO2 kann durch Erwärmung bzw. Abkühlung ein hoher Differenzdruck erzeugt werden. Die Druckdifferenz zwischen warmer und kalter Flüssigkeit wird zum Antrieb einer Flüssigkeitsturbine oder Kolbenmotor genutzt. Diese mechanische Energie kann direkt genutzt werden oder die Turbine oder Kolbenmotor treibt einen elektrischen Generator an, welcher die erzeugte elektrische Energie ins Verbrauchernetz einspeist bzw. einen oder mehrere elektrische Antrieb versorgt. Die entspannte und abgekühlte CO2 Flüssigkeit wird über einen Kreislaufprozess durch Wärmezuführung wieder in den Druckbehälter mit höherem Druck zurückgeführt.The multi-gym is based on a fluid circuit. Differential pressure between two liquid reservoirs is about a liquid turbine converted into mechanical energy, analogous to a water turbine. Instead of pressure from the Differences in water level at one Hydropower according to the invention, the pressure build-up in the liquid itself by heating the liquid achieved. The liquid consists of liquid CO2 under high pressure. Liquid CO2 changes in contrast to Water the density when heated. When heating liquid CO2 in a closed container can expose the liquid do not stretch and you get a high one Pressure increase. By means of two variable in volume Pressure chambers with liquid CO2 can be heated or Cooling a high differential pressure can be generated. The Pressure difference between warm and cold liquid to drive a liquid turbine or piston engine used. This mechanical energy can be used directly or the turbine or piston engine drives an electric one Generator on which the electrical energy generated in Feeds consumer network or one or more electrical Drive supplied. The relaxed and cooled CO2 Liquid is passed through a circulatory process Heat is returned to the pressure vessel with higher pressure returned.

Beim Druckabbau über die Turbine oder Kolbenmotor geht die Temperatur des flüssigen CO2 auf die Ausgangstemperatur vor der Erwärmung zurück. Für die Erwärmung wird z. B. die Verlustwärme eines thermischen Prozesses eingesetzt.When the pressure is reduced via the turbine or piston engine, it works Liquid CO2 temperature to the initial temperature of warming back. For the heating z. B. the Heat loss from a thermal process used.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind der Hochdruckbehälter und der Niederdruckbehälter, jeweils in mindestens zwei separate Kammern unterteilt, wobei die Kammern zum gegenseitigen Volumenausgleich mit Stellmitteln ausgestattet sind. According to a preferred embodiment of the invention High pressure tank and the low pressure tank, each in divided at least two separate chambers, the Chambers for mutual volume compensation with adjusting devices are equipped.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung können der Hochdruckbehälter und der Niederdruckbehälter, jeweils über Wärmetauscher mit thermischer Energie beaufschlagt werden.According to a further preferred embodiment of the invention the high pressure tank and the low pressure tank, each via heat exchangers with thermal energy be charged.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung enthalten der Hochdruckbehälter und der Niederdruckbehälter, jeweils flüssiges CO2 in einer ersten Kammer und ein Gas, wie Luft oder Stickstoff in einer zweiten Kammer.According to a further preferred embodiment of the invention contain the high pressure tank and the low pressure tank, each liquid CO2 in a first chamber and a gas, such as Air or nitrogen in a second chamber.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Turbine eine Flüssigkeitsturbine, die einen Generator antreibt, z. B. einen Synchrongenerator. Beim Einsatz eines Kolbenmotors kann anstelle eines rotierenden Generators ein Lineargenerator eingesetzt werden.According to a further preferred embodiment of the invention the turbine is a liquid turbine that is a generator drives z. B. a synchronous generator. When using a Piston engine can be used instead of a rotating generator Linear generator can be used.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind in der Rücklaufleitung vom Niederdruckbehälter zum Hochdruckbehälter mindestens zwei Druckaufbaueinrichtungen vorgesehen.According to a further preferred embodiment of the invention are in the return line from the low pressure tank to High pressure tank at least two pressure build-up devices intended.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels dargestellt. Es zeigen:The invention is based on a Embodiment shown. Show it:

Fig. 1: einen schematischen Anlagenplan einer Kraftstation gemäß der Erfindung, Fig. 1 shows a schematic system diagram of a power station according to the invention,

Fig. 2: eine schematische Darstellung einer Druckaufbaueinrichtung einer Kraftstation gemäß der Erfindung, Fig. 2 is a schematic representation of a pressure build-up device of a motor station according to the invention,

Fig. 3: ein Diagramm der Arbeitszyklen von zwei parallelen Druckaufbaueinrichtung einer Kraftstation gemäß der Erfindung, FIG. 3 shows a diagram of the duty cycles of two parallel pressure build up a power station according to the invention,

Fig. 4: eine schematische Darstellung einer Gasdruckausgleicheinrichtung einer Kraftstation gemäß der Erfindung, und Fig. 4 is a schematic illustration of a gas pressure equalizing device a power station according to the invention, and

Fig. 5: eine schematische Darstellung einer alternativen Druckaufbaueinrichtung einer Kraftstation gemäß der Erfindung. FIG. 5 is a schematic illustration of an alternative pressure build up a power station according to the invention.

Fig. 1: Die Kraftstation 1 besteht aus einem Hoch- und einem Niederdruckbehälter 2, 3, welche jeweils mit flüssigem CO2 mit unterschiedlichen Drücken und Temperaturen sowie einem Gaspuffer (z. B. Stickstoff) 4, 5 gefüllt sind. Das Volumen für das flüssige CO2 der Hoch- und Niederdruckbehälter 2, 3 ist hierbei variabel. Die Dichte der CO2 Flüssigkeiten in den Hoch- und Niederdruckbehältern 2, 3 wird konstant gehalten über jeweils eine Temperaturregelung (nicht dargestellt) in Verbindung mit einer Gasdruckausgleichsregelung für die Gaspuffer 4, 5. Fig. 1: The power station 1 consists of a high and a low pressure container 2 , 3 , which are each filled with liquid CO2 with different pressures and temperatures and a gas buffer (e.g. nitrogen) 4 , 5 . The volume for the liquid CO2 of the high and low pressure containers 2 , 3 is variable here. The density of the CO2 liquids in the high and low pressure containers 2 , 3 is kept constant via a temperature control (not shown) in connection with a gas pressure compensation control for the gas buffers 4 , 5 .

Die Hoch- und Niederdruckbehälter 2, 3 sind vorgesehen für die Bereitstellung bzw. Pufferung der unter Druck stehenden CO2 Flüssigkeiten für die Übergänge zwischen Druckaufbaukammern einer Druckaufbaueinrichtung. Mittels zweier Druckleitungen, nämlich einer Vorlaufleitung 6 und einer Rücklaufleitung 7 zwischen den Hoch- und Niederdruckbehältern 2, 3 erfolgt der Aufbau des Flüssigkeitskreislaufes. Als Stabilisierungselemente für Volumen- und Druckanpassungen werden Gasdruckvolumen für Volumenänderungen und Temperaturregeleinheiten aus je einem Wärmetauscher 8, 9 inkl. zugehöriger Ventile 10, 11 und Umwälzpumpe 12, 13 eingesetzt.The high and low pressure tanks 2 , 3 are provided for the provision or buffering of the pressurized CO2 liquids for the transitions between pressure build-up chambers of a pressure build-up device. The liquid circuit is built up by means of two pressure lines, namely a flow line 6 and a return line 7 between the high and low pressure containers 2 , 3 . Gas pressure volumes for volume changes and temperature control units, each consisting of a heat exchanger 8 , 9 including associated valves 10 , 11 and circulation pump 12 , 13, are used as stabilizing elements for volume and pressure adjustments.

In der Rücklaufleitung 7 vom Niederdruckbehälter 3 zum Hochdruckbehälter 2 ist eine Druckaufbaueinrichtung 14 vorgesehen. Bei intermittierendem Betrieb der Druckaufbaueinrichtung 14 können sich Verschiebungen der CO2 Volumina in den Hoch- und Niederdruckbehältern 2, 3 und damit auch Veränderungen bei den Gasdrücken ergeben, die außerhalb des Toleranzbereichs liegen könnten. Für die Ausregelung dieser Abweichungen ist die Gasdruckausgleichsregelung vorgesehen.A pressure build-up device 14 is provided in the return line 7 from the low-pressure tank 3 to the high-pressure tank 2 . With intermittent operation of the pressure build-up device 14, there may be shifts in the CO2 volumes in the high and low pressure containers 2 , 3 and thus also changes in the gas pressures which could lie outside the tolerance range. The gas pressure compensation regulation is provided to correct these deviations.

In der Vorlaufleitung 6 sind zwei Absperrschieber 15, 16 und eine Flüssigkeitsturbine oder Kolbenmotor 17 eingebaut. Über die Flüssigkeitsturbine oder Kolbenmotor 17 erfolgt der Druckausgleich (Entspannung). Die in der Flüssigkeitsturbine oder Kolbenmotor 17 gewonnene mechanische Energie kann über einen elektrischen Generator 19 in elektrische Energie umgewandelt werden.In the flow line 6 , two gate valves 15 , 16 and a liquid turbine or piston engine 17 are installed. The pressure compensation (expansion) takes place via the liquid turbine or piston engine 17 . The mechanical energy obtained in the liquid turbine or piston motor 17 can be converted into electrical energy via an electrical generator 19 .

Mittels der Rücklaufleitung 7 vom Nieder- zum Hochdruckbehälter 3, 2 und der Druckaufbaueinrichtung 14 inklusive der Gasdruckausgleichsregelung, erfolgt eine Rückspeisung der CO2 Flüssigkeit von der Druckkammer 3 mit niedrigen Druck in die Druckkammer 2 mit höheren Druck.By means of the return line 7 from the low-pressure to the high-pressure tank 3 , 2 and the pressure build-up device 14 including the gas pressure compensation regulation, the CO2 liquid is fed back from the pressure chamber 3 at low pressure into the pressure chamber 2 at higher pressure.

Ein über Ventile 21 gesteuerter Wärmetauscher 22 liefert die erforderliche Wärme für die Druckaufbaueinrichtung 14.A heat exchanger 22 controlled via valves 21 supplies the heat required for the pressure build-up device 14 .

Als Wärme- bzw. Kältemedium für die Erwärmung (d. h. für den Druckaufbau) bzw. Abkühlung des flüssigen CO2 wird mittels den entsprechend dimensionierten Wärmetauschern 22, 8, 9 Wasser verwendet (mit oder ohne Frostschutzmittel je nach Einsatzanforderungen, d. h. abhängig von der Umgebungstemperatur bzw. Temperatur des Kühlmittels).Water is used as the heating or cooling medium for heating (ie for building up pressure) or cooling the liquid CO2 by means of the appropriately dimensioned heat exchangers 22 , 8 , 9 (with or without antifreeze depending on the application requirements, ie depending on the ambient temperature or Coolant temperature).

Über Verbindungen 49, 50 erfolgt wechselseitiger Austausch von Druckgasvolumina.Mutual exchange of compressed gas volumes takes place via connections 49 , 50 .

Fig. 2, 5: Es werden zwei alternative technische Lösungen für die Druckaufbaueinrichtung erläutert. Fig. 2, 5: There are explained for the pressure build-up device has two alternative technical solutions.

Erwärmung und folglich Druckaufbau der CO2 Flüssigkeit inklusive der Gaspufferausgleichsregelung erfolgt in der Druckaufbaueinrichtung 14. Die Größe der Druckbehälter 2, 3 ist so zu wählen, daß auch bei intermittierender Erwärmung, d. h. des Druckaufbaus, ein kontinuierlicher Betrieb der Flüssigkeitsturbine oder des Kolbenmotors 17 gewährleistet ist. Das Volumen der Druckbehälter 2, 3 sollte ca. 3-5 mal dem Volumen einer Druckaufbaukammer 23 in der Druckaufbaueinrichtung 14 entsprechen.Heating and consequently pressure build-up of the CO2 liquid including the gas buffer compensation regulation takes place in the pressure build-up device 14 . The size of the pressure vessel 2 , 3 is to be chosen so that a continuous operation of the liquid turbine or the piston engine 17 is ensured even with intermittent heating, ie the pressure build-up. The volume of the pressure vessels 2 , 3 should correspond to approximately 3-5 times the volume of a pressure build-up chamber 23 in the pressure build-up device 14 .

Zwischen den Gasdruckvolumen für die beiden Druckbehälter 2, 3 und als technische Hilfseinrichtung für die Druckaufbaueinrichung 14 befindet sich die Gasdruckausgleichsregelungseinrichtung 24, welche sowohl die Gasdruckvolumen der Druckbehälter 2, 3 als auch die erforderlichen Gasdruckanpassungen für die einzelnen Schritte der Druckaufbereitung ausregelt.Between the gas pressure volumes for the two pressure vessels 2 , 3 and as a technical auxiliary device for the pressure build-up device 14 is the gas pressure compensation control device 24 , which regulates both the gas pressure volumes of the pressure vessels 2 , 3 and the necessary gas pressure adjustments for the individual steps of the pressure conditioning.

Operating principle

Die CO2 Flüssigkeit wird in ihrer Dichte, d. h. in ihrem Volumen konstant gehalten, d. h. sie ändert durch Erwärmung nur ihren Druck und nicht die Dichte. Die Erwärmung erfolgt über den Wärmetauscher 22 der Druckaufbaueinrichtung 14 und die Abkühlung über die Entspannung in der Flüssigkeitsturbine oder Kolbenmotor 17. Weiterhin werden zusätzliche Wärmetauscher 8, 9 kleinerer Leistung verwendet um die Temperaturen in den beiden Druckbehältern 2, 3 konstant zu halten und für die Anfangserwärmung oder Abkühlung der Flüssigkeiten beim Anfahrvorgang der Kraftstation 1.The CO2 liquid is kept constant in its density, ie in its volume, ie it only changes its pressure due to heating and not its density. The heating takes place via the heat exchanger 22 of the pressure build-up device 14 and the cooling takes place via the expansion in the liquid turbine or piston engine 17 . Furthermore, additional heat exchangers 8 , 9 of lower power are used in order to keep the temperatures in the two pressure vessels 2 , 3 constant and for the initial heating or cooling of the liquids when the power station 1 starts up.

Die Temperaturen und Drücke in den Druckbehältern 2, 3 liegen z. Beispiel bei ca. 9°C und 90 bar für die kalte Flüssigkeit und bei ca. 20°C und 180 bar für die warme Flüssigkeit. Die unter höherem Druck stehende, erwärmte Flüssigkeit wird über die Flüssigkeitsturbine oder Kolbenmotor 17 entspannt und die dann unter reduziertem Druck stehende Flüssigkeit über die Druckaufbaueinrichtung 14 mit Erwärmung und Gasdruckausgleichsregeleinrichtung 24 wieder in den Druckbehälter 2 mit dem höheren Druck zurückgeführt.The temperatures and pressures in the pressure vessels 2 , 3 are, for. Example at approx. 9 ° C and 90 bar for the cold liquid and at approx. 20 ° C and 180 bar for the warm liquid. The heated liquid under higher pressure is expanded via the liquid turbine or piston motor 17 and the liquid then under reduced pressure is returned to the pressure vessel 2 with the higher pressure via the pressure build-up device 14 with heating and gas pressure compensation control device 24 .

Während des gesamten zyklischen Durchlaufs bleibt das CO2 flüssig, d. h. es erfolgt kein Wechsel des Aggregatzustandes des Arbeitsmediums. Es fallen daher auch keine Kondensationsverluste wie bei einem konventionellen thermischen Kraftwerk an.The CO2 remains throughout the cycle liquid, d. H. there is no change in the physical state of the working medium. Therefore, none fall Condensation losses like a conventional one thermal power plant.

Aufgrund der gegebenen physikalischen Daten von CO2 ist der Temperaturbereich nach oben begrenzt durch die kritische Temperatur für CO2 von 31°C.Based on the given physical data of CO2, the Temperature range limited by the critical Temperature for CO2 of 31 ° C.

Die Druckaufbaueinrichtung 14 weist mindestens eine Druckaufbaukammer 23 auf, welche bei Konstanthaltung der Dichte eine Erwärmung der CO2 Flüssigkeit mit tieferer Temperatur auf das höhere Temperaturniveau realisiert. Dabei erfolgt damit auch der gewünschte Druckaufbau. Nach der Erwärmung der CO2 Flüssigkeit d. h. nach erfolgtem Druckaufbau wird diese erwärmte, unter höherem Druck befindliche Flüssigkeit in den Druckbehälter 2 der CO2 Flüssigkeit für die höhere Temperatur zurück befördert.The pressure build-up device 14 has at least one pressure build-up chamber 23 which, when the density is kept constant, heats the CO2 liquid at a lower temperature to the higher temperature level. The desired pressure build-up also takes place. After the heating of the CO2 liquid, ie after the pressure has built up, this heated liquid, which is under higher pressure, is conveyed back into the pressure container 2 of the CO2 liquid for the higher temperature.

Die Druckaufbaueinrichtung 14 wird in vier Schritten mittels Ventilen 25, 26, 27, 28 und 29 und Hilfspumpen 30, 31 so gesteuert, dass nur wenig zusätzliche Hilfsenergie neben der erforderlichen Aufheizenergie benötigt wird.The pressure build-up device 14 is controlled in four steps by means of valves 25 , 26 , 27 , 28 and 29 and auxiliary pumps 30 , 31 so that only a little additional auxiliary energy is required in addition to the required heating energy.

Im Einzelnen besteht die Druckaufbaueinrichtung 14 aus:
mindestens einer Druckaufbaukammer 23 welche im Anfangszustand mit der Druckluft aus dem Druckbehälter 3 auf niedrigerem Druckniveau gefüllt ist bei einem Druck von z. B. 90 bar,
einem Schiebeelement 33 zur Füllung und Entleerung der Druckaufbaukammer 23, welches innerhalb der Druckaufbaukammer 23 in beide Richtungen bewegt werden kann,
eine Fülleitung 53 für die Füllung der Druckaufbaukammer 23 mit der abgekühlten CO2 Flüssigkeit, bestehend aus der Fülleitung 53, dem Absperrventil 25 und einer Hilfspumpe 30,
einer Entleerungsleitung 34 für die Entleerung der erwärmten Flüssigkeit in den Hochdruckbereich, bestehend aus der Entleerungsleitung 35, dem Absperrventil 26 und der Hilfspumpe 31,
zwei Anschlüssen 36, 37 für Gasdruckleitungen 38, 39 mit den Ventilen 27, 28 und 29,
einer Gasdruckausgleichsregeleinrichtung 24 mit geregelten kleinen Gasturbinen bzw. Verdichtern für die Abgleichung der Gasvolumina und Gasdrücke für den Gesamtbetrieb der CO2 Kraftstation 1,
einer Aufheizeinrichtung 40 aus zwei Druckverbindungsleitungen 41, 42 mit jeweils einem Absperrventil 43, 44 sowie einer Umwälzpumpe 45 und einem Wärmetauscher 22 mit externen Ventilen 46, 47 und Pumpe 48 auf der Seite der externen Wärmeeinspeisung. Alternativ ist auch eine Erwärmung durch Umspülen des Zylinders mit warmem Wasser möglich.In detail, the pressure build-up device 14 consists of:
at least one pressure build-up chamber 23 which is filled with the compressed air from the pressure vessel 3 at a lower pressure level at a pressure of z. B. 90 bar,
a sliding element 33 for filling and emptying the pressure build-up chamber 23 , which can be moved in both directions within the pressure build-up chamber 23 ,
a filling line 53 for filling the pressure build-up chamber 23 with the cooled CO2 liquid, consisting of the filling line 53 , the shut-off valve 25 and an auxiliary pump 30 ,
an emptying line 34 for emptying the heated liquid into the high pressure region, consisting of the emptying line 35 , the shut-off valve 26 and the auxiliary pump 31 ,
two connections 36 , 37 for gas pressure lines 38 , 39 with valves 27 , 28 and 29 ,
a gas pressure compensation regulating device 24 with regulated small gas turbines or compressors for balancing the gas volumes and gas pressures for the overall operation of the CO2 power station 1 ,
a heating device 40 consisting of two pressure connection lines 41 , 42 , each with a shut-off valve 43 , 44 as well as a circulation pump 45 and a heat exchanger 22 with external valves 46 , 47 and pump 48 on the side of the external heat feed. Alternatively, heating is also possible by rinsing the cylinder with warm water.

Einer elektronischen Steuerung inklusive der erforderlichen Sensoren für Temperaturen, Drücke, Stellung des Schiebeelements 33 für die Steuerung und Überwachung der Kraftstation 1, insbesondere der Arbeitsschritte und der Gasdruckausgleichsregelung. Die elektronische Steuerung und die Sensoren sind in der Zeichnung nicht dargestellt.An electronic control including the required sensors for temperatures, pressures, position of the sliding element 33 for the control and monitoring of the power station 1 , in particular the work steps and the gas pressure compensation control. The electronic control and the sensors are not shown in the drawing.

Fig. 3: Beschreibung der einzelnen Arbeitsschritte für die Druckaufbaueinrichtung 14 Fig. 3: description of the individual steps for the pressure build-up means 14

Step 1 Filling the pressure build-up chamber 23 with CO2 Liquid of 90 bar

Das Füllen erfolgt mit der CO2 Flüssigkeit von 90 bar gegen den Gasdruck von ebenfalls 90 bar. Zur Überwindung des Gegendrucks dient die Hilfspumpe 30. Über die Gasdruckausgleichregeleinrichtung 24 und die in Fig. 1 dargestellten Verbindungen 49, 50 erfolgt der wechselseitige Austausch der Druckgasvolumina.The filling is done with the CO2 liquid of 90 bar against the gas pressure of also 90 bar. The auxiliary pump 30 serves to overcome the back pressure. The mutual exchange of the compressed gas volumes takes place via the gas pressure compensation control device 24 and the connections 49 , 50 shown in FIG. 1.

2nd step Heating up in the pressure build-up chamber 23 CO2 liquid

Die Erwärmung erfolgt bei unserem Beispiel durch die Einschaltung des Aufheizkreislaufes durch Öffnen der Ventile 43, 44, 46 und 47 und Einschalten der Pumpen 45 und 48. Mit der Erwärmung erfolgt der Druckaufbau von ca. 90 bar auf ca. 180 bar.In our example, heating takes place by switching on the heating circuit by opening valves 43 , 44 , 46 and 47 and switching on pumps 45 and 48 . With the heating, the pressure builds up from approx. 90 bar to approx. 180 bar.

Bei Erreichen der Temperatur bzw. des Druckes werden Ventile 43, 44, 46 und 47 wieder geschlossen und die Pumpen 45 und 48 abgestellt. Die Druckaufbaukammer 23 ist jetzt mit der CO2 Flüssigkeit mit höherem Druck gefüllt (in dem gewählten Beispiel mit 180 bar).When the temperature or pressure is reached, valves 43 , 44 , 46 and 47 are closed again and pumps 45 and 48 are switched off. The pressure build-up chamber 23 is now filled with the CO2 liquid at a higher pressure (in the selected example with 180 bar).

3rd step Drain the pressure build-up chamber 23

Die Entleerung des CO2 mit höherem Druck aus der Druckaufbaukammer 23 erfolgt durch Öffnen der 180 bar Druckgasleitung und Öffnen der Rücklaufleitung 7 von 180 bar CO2 zum Druckbehälter 2. Zur Überwindung des Gegendrucks von ebenfalls 180 bar wird die Hilfspumpe 31 benutzt. Nach erfolgter Entleerung wird die Rücklaufleitung 7 geschlossen. Die Druckaufbaukammer 23 ist jetzt mit Druckgas von 180 bar gefüllt.The CO2 is emptied at a higher pressure from the pressure build-up chamber 23 by opening the 180 bar compressed gas line and opening the return line 7 from 180 bar CO2 to the pressure vessel 2 . The auxiliary pump 31 is used to overcome the back pressure of likewise 180 bar. After emptying, the return line 7 is closed. The pressure build-up chamber 23 is now filled with compressed gas of 180 bar.

4th step Pressurized gas from 180 bar to 90 bar

Das 180 bar Druckgas wird über die Gasdruckausgleichsregeleinrichtung 24 auf 90 bar reduziert, z. B. über eine kleine Gasturbine und gleichzeitig das Volumen vergrößert. Das Druckgas fließt in einen Druckgashilfsspeicher und wird auch für den Gegendruck für das erneute Füllen der Druckaufbaukammer 23 mit CO2 von 90 bar benutzt (siehe erster Schritt). Für diesen Schritt wird V4 geschlossen und V9 geöffnet.The 180 bar compressed gas is reduced to 90 bar via the gas pressure compensation regulator 24 , e.g. B. via a small gas turbine and at the same time increases the volume. The compressed gas flows into a compressed gas auxiliary storage device and is also used for the counter pressure for refilling the pressure build-up chamber 23 with CO2 of 90 bar (see first step). For this step, V4 is closed and V9 is opened.

5th step Recompress 2 volumes of compressed gas with 90 bar on 1 volume part with 180 bar

Nachdem im Schritt 4 des Füllvorgangs 1 Volumenteil des Druckgases von 180 bar umgeformt wurde auf 2 Volumenteile von 90 bar, ist dieser Schritt erforderlich um das Ausgleichdruckgasvolumen für 180 bar wieder abzugleichen. Dieser Schritt erfolgt ebenfalls über die Gasdruckausgleichsregeleinrichtung 24. Der Schritt erfolgt parallel zu den Schritten 1-4 und zählt daher nicht mit bei der Schrittanzahl der notwendigen sequentiellen Schritte für den Ablauf eines Füllvorgangs mit der DAE. Auch für die 180 bar Druckluft ist in der Druckausgleichsregelung ein Druckgashilfsspeicher 62 vorhanden.After 1 volume part of the compressed gas of 180 bar was converted to 2 volume parts of 90 bar in step 4 of the filling process, this step is necessary in order to adjust the pressure gas volume for 180 bar again. This step is also carried out via the gas pressure compensation control device 24 . The step takes place in parallel to steps 1-4 and therefore does not count towards the number of steps required for the sequence of a filling process with the DAE. A compressed gas auxiliary store 62 is also present in the pressure compensation control for the 180 bar compressed air.

Fig. 4: Gasdruckausgleicheinrichtung 60 dient zur Stabilisierung der Drücke in den Gaspuffern 4, 5 der Hoch- und Niederdruckbehälter 2, 3 und zur Gasdrucksteuerung der Arbeitsschritte der Druckaufbaueinrichtung 14. Gasdruckausgleicheinrichtung 60 weist Hilfsspeicher 61, 62 auf. Ein Doppelkolben 63 ist verschieblich in den Hilfsspeichern 61, 62 angeordnet. Eine mit elastischen Mitteln 64 verstellbare Begrenzung 65 ist bis zu Anschlag 66 axial beweglich in Hilfsspeicher 61. Für den Ausgleich zwischen den Hilfsspeicher 61, 62 ist eine kombinierte Entspannungs-Verdichteranlage 67, 68 mit Motorantrieb 69 vorgesehen. Fig. 4: Gas pressure equalizing device 60 serves to stabilize the pressures in the gas buffers 4, 5 of the high and low pressure containers 2, 3 and the gas pressure controlling the operations of the pressure build-up means 14. Gas pressure compensation device 60 has auxiliary stores 61 , 62 . A double piston 63 is slidably arranged in the auxiliary stores 61 , 62 . A limit 65 , which can be adjusted with elastic means 64, is axially movable up to the stop 66 in the auxiliary memory 61 . A combined expansion compressor system 67 , 68 with motor drive 69 is provided for the compensation between the auxiliary stores 61 , 62 .

Gaspuffer 4 ist über Leitung 70 mit Hilfsspeicher 62 und Gaspuffer 5 über Leitung 71 mit Hilfsspeicher 61 verbunden. Zwischenwand 72 dient zur Führung des Doppelkolbens 63. Doppelkolben 63 schließt mit Zwischenwand 72 eine Umgebungsdruckkammer 73 mit 1 bar ein. Zwei Hilfsspeicher 61 sind über eine Druckausgleichsleitung 74 miteinander in ständiger Verbindung.Gas buffer 4 is connected to auxiliary storage 62 via line 70 and gas buffer 5 is connected to auxiliary storage 61 via line 71 . Partition wall 72 serves to guide the double piston 63 . Double piston 63 encloses with intermediate wall 72 an ambient pressure chamber 73 with 1 bar. Two auxiliary stores 61 are in constant communication with one another via a pressure compensation line 74 .

Die elektronische Steuerung des Motorantriebs 69 der Entspannungs-Verdichteranlage 67, 68 dient mit den elastischen Mitteln 64 der verstellbaren Begrenzung 65 zur Erhaltung möglichst gleichbleibender Druckverhältnisse in den Hilfsspeichern 61, 62.The electronic control of the motor drive 69 of the expansion compressor system 67 , 68 , with the elastic means 64 of the adjustable limitation 65 , serves to maintain pressure conditions in the auxiliary stores 61 , 62 which are as constant as possible.

Interaction of pressure build-up device and Gas pressure compensation device

Erläuterung des Zusammenwirkens der Druckaufbaueinrichtung ( nachfolgend auch DAE abgekürzt) und der Gasdruckausgleicheinrichtung an einem Beispiel einer CO2 Kraftstation mit einer DAE mit nur einer Druckaufbaukammer. Eine CO2 Kraftstation mit nur einer Druckaufbaukammer stellt die größten Anforderungen an die gegenseitige Abstimmung und an die Gasdruckausgleichseinrichtung, da in diesem Fall die maximalen Abweichungen bei den Gasvolumina auftreten. Nachfolgend eine Beschreibung eines kompletten Zyklus für eine Kraftstation mit einer Druckaufbaukammer.Explanation of the interaction of the pressure build-up device ( hereinafter also abbreviated DAE) and the Gas pressure compensation device using an example of a CO2 Multi-gym with a DAE with only one pressure build-up chamber. A CO2 multi-gym with only one pressure build-up chamber provides the greatest requirements for mutual coordination and to the gas pressure compensation device, since in this case the maximum deviations occur in the gas volumes. Below is a description of a complete cycle for a multi-gym with a pressure build-up chamber.

Bei Beginn des Zyklus sind die beiden Druckspeicher 2,3 ca. halbvoll mit flüssigen CO2 und die andere Hälfte des Innnenvolumens ist mit einem Druckgas gefüllt.At the beginning of the cycle, the two pressure accumulators 2 , 3 are approximately half-full with liquid CO2 and the other half of the internal volume is filled with a compressed gas.

Die Menge der durch die Turbine 17 pro Zeiteinheit fließenden CO2 Flüssigkeit ergibt sich aus dem Volumen der DAE- Druckaufbaukammer dividiert durch die Zykluszeit. Damit erhält man einen definierten Durchfluß Q durch die Turbine 17. Damit fließt aus dem Hochdruckbehälter über die Turbine in den Niederdruckbehälter in der Zykluszeit das Volumen der Druckaufbaukammer. Dieses Volumen muß daher durch nachfließendes Druckgas von 180 bar im Hochdruckbehälter ausgeglichen werden. Gleichzeitig fließt in den Niederdruckbehälter das Volumen der Druckaufbaukammer als flüssiges CO2 mit 90 bar hinein. Damit muß dieses Volumen an Druckgas von 90 bar in die Gasdruckausgleicheinrichtung geführt werden, d. h. die Gasdruckausgleicheinrichtung muß diese erheblichen Verschiebungen in den Hochdruck- und Niederdruckbehältern ausgleichen. Innerhalb der Zykluszeit erfolgt als Ausgleich zum gleichförmigen Betrieb der Turbine, das Entleeren, die Druckentspannung, das Nachfüllen und Heizen in der Druckaufbaukammer. Dabei sind diese Vorgänge bei einer einzelnen DAE immer zeitversetzt und führen damit zwangsweise zu erheblichen Verschiebungen in den Gasvolumina. Durch die diskontinuierlich erfolgenden Zuführungen beim Entleeren der Druckaufbaukammer bzw. Abführung beim Füllen der Druckaufbaukammer ist über der Zeitachse die Summe der Mengen an Druckluft in der Gasdruckausgleicheinrichtung von 90 bzw. 180 bar umgerechnet auf eine Druckbasis nicht konstant.The amount of CO2 liquid flowing through the turbine 17 per unit of time results from the volume of the DAE pressure build-up chamber divided by the cycle time. A defined flow rate Q through the turbine 17 is thus obtained. The volume of the pressure build-up chamber thus flows from the high-pressure tank via the turbine into the low-pressure tank in the cycle time. This volume must therefore be compensated for by inflowing compressed gas of 180 bar in the high-pressure container. At the same time, the volume of the pressure build-up chamber flows into the low-pressure tank as liquid CO2 at 90 bar. This volume of pressurized gas of 90 bar must therefore be fed into the gas pressure compensation device, ie the gas pressure compensation device must compensate for these considerable displacements in the high-pressure and low-pressure containers. To compensate for the uniform operation of the turbine, draining, pressure relief, refilling and heating take place in the pressure build-up chamber within the cycle time. In the case of a single DAE, these processes are always staggered and therefore inevitably lead to considerable shifts in the gas volumes. Due to the discontinuous supply when emptying the pressure build-up chamber or discharge when filling the pressure build-up chamber, the sum of the quantities of compressed air in the gas pressure compensation device of 90 or 180 bar, converted to a pressure base, is not constant over the time axis.

Bei Auswertung der Kurven über der Zeitachse ergeben sich maximale Abweichungen von ca. 30% auf der Druckbasis von 180 bar bzw. 60% auf der Basis von 90 bar. Diese Mengenabweichungen müssen durch die elastische Begrenzung, siehe Fig. 4, 64 und 65, kompensiert werden. Der erforderliche Ausgleich zwischen der Menge an Druckluft von 90 bar und 180 bar erfolgt mittels der kombinierten Entspannungs- und Verdichtereinheit 67, 68 und 69.When evaluating the curves over the time axis, there are maximum deviations of approx. 30% on the pressure basis of 180 bar or 60% on the basis of 90 bar. These quantity deviations must be compensated for by the elastic limitation, see FIGS. 4, 64 and 65. The required balance between the amount of compressed air of 90 bar and 180 bar is carried out using the combined expansion and compression unit 67 , 68 and 69 .

Zwei Druckaufbaukammern sind bei gleicher Leistung der CO2 Kraftstation jeweils nur halb so groß wie eine allein arbeitende Druckaufbaukammer. Die Auswirkungen des diskontinuierlichen Betriebs werden dadurch stark abgeschwächt. Die Druckaufbaukammern arbeiten dabei in der Weise parallel, daß jeweils die eine aufgeheizt wird, während die andere in dieser Zeit die Schritte "Entleerung" des flüssigen CO2 in den Hochdruckspeicher 2, "Gasdruckentspannung und gleichzeitige Rückverdichtung" sowie das Füllen der Druckaufbaukammer durchführt. Diese einzelnen Schritte werden dabei in ihrer jeweiligen Zeitdauer abgestimmt. Die Schritte "Entleerung" und "Füllen" sind von möglichst kurzer zeitlicher Dauer. Der Schritt "Entspannen und gleichzeitig Rückverdichten" dauert damit fast gleich lang wie der Aufheizvorgang. Damit wird die Gasdruckaus gleicheinrichtung entlastet. Dennoch ergeben sich erhebliche Abweichungen, die durch die Gasdruckausgleicheinrichtung ausgeglichen werden müssen.With the same power of the CO2 multi-gym, two pressure build-up chambers are each only half the size of a pressure build-up chamber working alone. The effects of discontinuous operation are greatly weakened. The pressure build-up chambers work in parallel in such a way that in each case one is heated up, while the other performs the steps "emptying" the liquid CO2 into the high-pressure accumulator 2 , "gas pressure relaxation and simultaneous recompression" and filling the pressure build-up chamber. These individual steps are coordinated in their respective duration. The steps "emptying" and "filling" are as short as possible. The step "Relax and at the same time recompact" takes almost the same length of time as the heating process. This relieves the gas pressure compensation device. Nevertheless, there are considerable deviations that must be compensated for by the gas pressure compensation device.

Durch den Einsatz von mehreren Druckkammern für eine CO2 Kraftstation werden Verbesserungen erzielt im Aufbau der Anlage, in einer Vereinfachung der Druckstabilisierung und im Betriebsverhalten. Bei einer entsprechend großen Anzahl von kleinen Druckaufbaukammern anstelle einer oder zwei großen Druckaufbaukammern können diese so gesteuert werden, daß damit auch ein kontinuierlicher Betrieb auch auf der DAE- Seite des Kreislaufprozesses gegeben ist. Die DAE besteht in diesem Fall aus einem oder mehreren Bündeln an einzelnen Zylindern, d. h. Hochdruckrohren, mit den zugeordneten Steuerventilen an den Stirnseiten der Zylinder. Die Erwärmung der in den Zylindern bzw. Rohren befindlichen CO2 Flüssigkeit erfolgt vorzugsweise über den Außenmantel der Zylinder. Die Steuerung der Einzeldruckaufbaukammern erfolgt hierbei so, daß z. B. jeweils 3% der Druckkammern gefüllt werden, 3% entleert werden und 3% entspannt werden. Bei den restlichen 91% erfolgt die Aufheizung. Dies bedeutet, daß für die Aufheizung über 90% der Zeit zur Verfügung steht und damit auch das Aufheizen mit relativ niedrigen Temperaturen begünstigt wird.By using several pressure chambers for one CO2 Power station improvements are being made in the construction of the Plant, in a simplification of the pressure stabilization and in Operating behavior. With a correspondingly large number of small pressure build-up chambers instead of one or two large ones Pressure build-up chambers can be controlled so that thus continuous operation also on the DAE Side of the circulatory process is given. The DAE consists of in this case from one or more bundles of individual Cylinders, d. H. High pressure pipes, with the assigned Control valves on the front of the cylinders. The warming the CO2 liquid in the cylinders or pipes is preferably carried out via the outer jacket of the cylinder. The control of the individual pressure build-up chambers takes place here so that z. B. 3% of the pressure chambers are filled, 3% be emptied and 3% relaxed. The rest 91% is heated. This means that for the Heating over 90% of the time is available and therefore also heating at relatively low temperatures is favored.

Damit ist auch für die Gasdruckausgleichseinrichtung ein quasi kontinuierlicher Betrieb mit minimalen Ausgleichspuffervolumen möglich.This is also for the gas pressure compensation device quasi continuous operation with minimal Compensation buffer volume possible.

Ebenso reduzieren sich damit die Volumina der Hochdruckbehälter 2 und 3 auf relativ kleine Einheiten von ca. dem 5-10 fachen des Volumens einer einzelnen Druckaufbaukammer in der DAE.Likewise, the volumes of the high-pressure containers 2 and 3 are reduced to relatively small units of approximately 5-10 times the volume of a single pressure build-up chamber in the DAE.

Die optimale Größe bzw. Anzahl von Druckaufbaukammern sowie die Zykluszeiten in der DAE ist abhängig von der Leistungsgröße der CO2 Kraftstation, dem Differenzdruck der CO2 Flüssigkeiten und der Temperatur der zugeführten Wärme.The optimal size or number of pressure build-up chambers as well the cycle times in the DAE depend on the Capacity of the CO2 multi-gym, the differential pressure of the CO2 liquids and the temperature of the heat supplied.

Bei der alternativen Druckaufbaueinrichtung 114 gemäß Fig. 5 erfolgt der Druckaufbau ebenfalls in 4 Schritten. Das Funktionsprinzip ist jedoch unterschiedlich.In the alternative pressure build-up device 114 of FIG. 5, the pressure build-up is likewise carried out in 4 steps. However, the principle of operation is different.

Im Einzelnen besteht die Druckaufbaueinrichtung 114 aus einer zylindrischen Doppelkammer, die in der Mitte durch eine feste Trennwand 117 in zwei gleich große Kammern 115, 116 aufgeteilt wird. Durch die Trennwand 117 führt eine Achse 118 von einem Doppelkolben 119, der innerhalb der beiden Druckkammern 115, 116 hin und her verschoben werden kann. Mittels dieses Doppelkolbens 119 und der Ventile und Hilfspumpen erfolgt die Steuerung der Stoffmengen in der Doppelkammer. Es erfolgt der Druckaufbau nur mit flüssigen CO2, aber mit unterschiedlichen Temperaturen bzw. Drücken.In detail, the pressure build-up device 114 consists of a cylindrical double chamber, which is divided in the middle by a fixed partition 117 into two equally large chambers 115 , 116 . An axis 118 leads through the partition wall 117 from a double piston 119 which can be moved back and forth within the two pressure chambers 115 , 116 . The quantity of substance in the double chamber is controlled by means of this double piston 119 and the valves and auxiliary pumps. The pressure is built up only with liquid CO2, but with different temperatures or pressures.

Die Zuführung der Wärmeenergie erfolgt analog wie für die Druckaufbaueinrichtung 14. Auch für Alternative B ist eine Gasdruckausgleichsregelung erforderlich, die ähnlich aufgebaut ist wie für die Druckaufbaueinrichtung 14.The heat energy is supplied in the same way as for the pressure build-up device 14 . Also for alternative B, a gas pressure compensation regulation is required, which is constructed similarly to that for the pressure build-up device 14 .

Functional description for alternative B Step 1

Entleeren der linken Kammer 115, die z. b. gefüllt ist mit flüssigen CO2 mit hohem Druck, - bei unserem Beispiel: 180 bar, über Leitung 134 in den Hochdruckbehälter 2.Empty left chamber 115 , which is filled with liquid CO2 at high pressure, for example: 180 bar, via line 134 into high-pressure container 2 .

Dies erfolgt durch die doppelte Menge an CO2 mit 90 bar und damit einer Verdoppelung der Kraft über den Doppelkolben 119. Beide Kammern 115, 116 sind am Ende des Schrittes mit flüssigen CO2 mit ca. 9°C Temperatur und 90 bar Druck gefüllt. Eine steuerbare Druckausgleichsleitung 136 verbindet Kammer 116 mit einer Kammer 137, die durch die Zwischenwand 117 und den Doppelkolben 119 begrenzt ist.This is done by doubling the amount of CO2 at 90 bar and thus doubling the force via the double piston 119 . At the end of the step, both chambers 115 , 116 are filled with liquid CO2 at a temperature of approximately 9 ° C. and 90 bar pressure. A controllable pressure compensation line 136 connects chamber 116 to a chamber 137 which is delimited by the intermediate wall 117 and the double piston 119 .

2nd step

Abkühlen des flüssigen CO2 von 9°C auf ca. 5°C. Damit erfolgt ein Abbau des Druckes des flüssigen CO2 auf ca. 45 bar in den beiden Kammern 117, 116.Cooling of the liquid CO2 from 9 ° C to approx. 5 ° C. This reduces the pressure of the liquid CO2 to approximately 45 bar in the two chambers 117 , 116 .

Dies erfolgt mittels eines Wärmetauschers 120, der auf beide Kammern 117, 116 arbeitet. Die Ansteuerung des Wärmetauschers 120 erfolgt mittels Ventilen 121-124 und Hilfspumpen 125, 126.This is done by means of a heat exchanger 120 , which works on both chambers 117 , 116 . The heat exchanger 120 is controlled by means of valves 121-124 and auxiliary pumps 125 , 126 .

3rd step

Entleeren von beiden, mit 45 bar CO2 gefüllten Kammern 115, 116 durch Füllen der linken Kammer 115 mit flüssigem CO2 mit 90 bar über die Leitung 135 aus dem Niederdruckbehälter 3. Nach diesem Schritt ist die linke Kammer 115 mit flüssigen CO2 mit 90 bar gefüllt und die rechte Kammer 116 ist leer.Emptying both chambers 115 , 116 filled with 45 bar CO2 by filling the left chamber 115 with liquid CO2 at 90 bar via line 135 from the low-pressure container 3 . After this step, the left chamber 115 is filled with liquid CO2 at 90 bar and the right chamber 116 is empty.

4th step

Erwärmen des flüssigen CO2 in der linken Kammer 115 auf ca. 20°C und damit Druckaufbau auf 180 bar. Dies erfolgt mittels Aktivierung des Wärmetauschers 127 für die linke Kammer 115 - ebenfalls über die Ansteuerung der zugehörigen Ventile 128-131 und Hilfspumpen 132, 133. Damit sind nun wieder alle Voraussetzungen für den ersten Schritt gegeben.Heating the liquid CO2 in the left chamber 115 to approx. 20 ° C and thus building up pressure to 180 bar. This is done by activating the heat exchanger 127 for the left chamber 115 - likewise by activating the associated valves 128-131 and auxiliary pumps 132 , 133 . Now all the prerequisites for the first step are fulfilled.

5th step

Rückerwärmung des flüssigen CO2 von ca. 5°C und 45 bar auf ca. 9°C und 90 bar. Dieser Vorgang kann parallel zu den Schritten 1-4 erfolgen und ist daher in der Anzahl der erforderlichen Schritte für einen Druckaufbauzyklus nicht berücksichtigt.Reheating the liquid CO2 from approx. 5 ° C and 45 bar to approx. 9 ° C and 90 bar. This process can take place parallel to steps 1-4 and is therefore not taken into account in the number of steps required for a pressure build-up cycle.

Für die Alternative B ist es daher ebenfalls von Vorteil, wenn mindestens zwei Druckaufbaueinrichtungen 114 parallel arbeiten. Damit ist ein wechselseitiger Temperaturausgleich für die erforderliche Kälteleistung und eine Verbesserung des Wirkungsgrades und des Betriebsverhaltens insgesamt möglich.For alternative B it is therefore also advantageous if at least two pressure build-up devices 114 work in parallel. This enables mutual temperature compensation for the required cooling capacity and an improvement in efficiency and operating behavior as a whole.

Die alternative Druckaufbaueinrichtung bietet Vorteile bei kombinierten Anlagen mit Wärmepumpen. Die anfallende Kälteleistung der Wärmepumpe muß dabei, z. B. in dem Temperaturbereich zwischen +5° bis -10°C liegen.The alternative pressure build-up offers advantages combined systems with heat pumps. The accruing Cooling capacity of the heat pump must, for. B. in the Temperature range between + 5 ° to -10 ° C.

Possible applications

Die Erfindung ist grundsätzlich für alle Arten von Antriebsmaschinen geeignet, insbesondere für Anlagen, welche mit Wärme auf relativ niedrigem Temperaturniveau arbeiten. Hierunter fallen insbesondere Anlagen mit Solarenergie, geothermische Anlagen, Anlagen zur Nutzung der Temperaturunterschiede von See- oder Meerwasser in unterschiedlichen Tiefen sowie die Nutzung der Wärme von Prozessen mit Wärmeverlusten auf niedrigem Temperaturniveau, wie z. B. thermische Kondensationskraftwerke, Industrieprozesse, Gasturbine oder Kolbenmotoren und große Dieselmotoren, Müllverwertungsanlagen, Kompostierungsanlagen, Latentwärmespeicher, etc..The invention is basically for all types of Drive machines suitable, in particular for systems that use heat at a relatively low level Temperature level work. This includes in particular Plants with solar energy, geothermal plants, plants for Use of the temperature differences of sea or sea water at different depths as well as the use of the warmth of Processes with heat loss at low temperature level, such as B. thermal condensation power plants, Industrial processes, gas turbine or piston engines and large Diesel engines, waste recycling plants, composting plants, Latent heat storage, etc.

Grundsätzlich ist die Erfindung auch geeignet als Ersatz für Verbrennungsmotoren und hierbei insbesondere für große mechanische/elektrische Antriebe wie z. B. für Lokomotiven und Schiffsantriebe. Hierbei wird in der Regel nicht die mechanische Energie der Turbine oder des Kolbenmotors direkt genutzt werden, sondern über einen elektrischen Generator wird ein entsprechender elektrischer Antrieb (z. B. Elektromotor) angetrieben.Basically, the invention is also suitable as a replacement for Internal combustion engines, especially large ones mechanical / electrical drives such. B. for locomotives and ship propulsion. This is not usually the case mechanical energy of the turbine or the piston engine directly be used, but via an electric generator a corresponding electric drive (e.g. Electric motor) driven.

Grundsätzlich ist jedoch besonders bei kleineren Antrieben, wie z. B. für Motoren von Personenkraftwagen auch ein direkter mechanischer Antrieb möglich. Für die erforderliche Kälteleistung ist bei warmen Umgebungstemperaturen, z. B. bei Außentemperaturen größer als 10°C die CO2 Kraftstation mit einer Wärmepumpe für Umgebungsluft zu kombinieren. Damit sind auch für Antriebe oder Motoren von Straßenfahrzeugen bessere Wirkungsgrade erreichbar als mit den derzeitigen Verbrennungsmotoren. In Kombination mit Latentwärmespeichern hoher Wärmekapazität (z. B. Natriumacetat) können mit der Erfindung Antriebe für Straßenfahrzeuge ausgerüstet werden, die völlig emissionsfrei arbeiten.Basically, however, especially with smaller drives, such as B. for engines of passenger cars also direct mechanical drive possible. For the required Cooling capacity is at warm ambient temperatures, e.g. B. at Outside temperatures greater than 10 ° C with the CO2 multi-gym to combine a heat pump for ambient air. With that also better for drives or engines of road vehicles Efficiency achievable than with current ones Internal combustion engines. In combination with latent heat storage high heat capacity (e.g. sodium acetate) can be used with the Invention drives for road vehicles are equipped that work completely emission-free.

Die Vorteile gegenüber den konventionellen Antrieben mit Verbrennungsmotoren liegen in einer besseren Ausnutzung der Brennstoffe, d. h. einem besseren Wirkungsgrad und auch geringeren Schadstoffemissionen.The advantages over conventional drives with Internal combustion engines lie in better utilization of the Fuels, d. H. better efficiency and also lower pollutant emissions.

Insbesondere ist die Erfindung geeignet für kleinere und mittlere Anlagen als dezentrale Kraftwerksstationen oder als Ergänzung vorhandener Blockheizkraftwerke für die Stromerzeugung außerhalb der Heizperiode speziell in Verbindung mit einer zusätzlichen Wärmepumpe für die Lieferung der erforderlichen Kälteleistung.In particular, the invention is suitable for smaller and medium-sized plants as decentralized power station stations or as Extension of existing cogeneration plants for the Electricity generation outside the heating season especially in Connection with an additional heat pump for the Delivery of the required cooling capacity.

Weiterhin ist die Erfindung geeignet als Nachrüststation bzw. Ersatz bei thermischen Kraftwerken für die Verbesserung des Wirkungsgrades. Furthermore, the invention is suitable as a retrofit station or Replacement in thermal power plants for the improvement of Efficiency.

Description of pressure build-up device (DAE) Alternative C and D Generally

Diese beiden Alternativen benötigen keine motorischen Entspannungs- und Ver dichtungssysteme für die Druckluft. Durch den Wegfall dieser Funktion wird der Ge samtwirkungsgrad verbessert. Die Alternative C verwendet eine geeignete inkom pressible Flüssigkeit, wie z. B. Hydrauliköl, als ein Zwischenmedium für den Druck ausgleich beim Entleeren und gleichzeitigen Neubefüllen von zwei Druckaufbaube hälter. Die Alternative D arbeitet ohne getrennte Druckaufbaubehälter. Diese Funkti on ist in den Wärmetauschern integriert. Beide Verfahren weisen weniger Verluste auf im Vergleich zu den Alternativen A und B. Aufgrund dieser Vorzüge werden die se Alternativen nachfolgend detaillierter erläutert. Für diese Verfahren ist aufgrund der kontinuierlichen Nachfüllung über die Druckaufbaueinrichtung keine Gasdruck ausgleichseinrichtung erforderlich. Für die Alternative C gibt es eine maximale Druckdifferenz zwischen den hohen und den niedrigen Druckwerten in den Hauptbe hältern 2 (hoher Druck) und 3 (niederer Druck). Der hohe Druckwert darf nicht ganz doppelt so groß sein wie der niedere Druckwert, d. h. der Faktor 1,9 sollte normaler weise nicht überschritten werden.These two alternatives do not require motorized relaxation and compression systems for the compressed air. By eliminating this function, the overall efficiency is improved. The alternative C uses a suitable incompressible liquid, such as. B. hydraulic oil, as an intermediate medium for the pressure compensation when emptying and simultaneously refilling two pressure build-up containers. The alternative D works without separate pressure build-up tanks. This function is integrated in the heat exchangers. Both methods have fewer losses compared to alternatives A and B. Because of these advantages, these alternatives are explained in more detail below. Because of the continuous refilling via the pressure build-up device, no gas pressure compensation device is required for these processes. For alternative C there is a maximum pressure difference between the high and low pressure values in the main tanks 2 (high pressure) and 3 (low pressure). The high pressure value must not be twice as large as the low pressure value, ie the factor 1.9 should normally not be exceeded.

Für beide Alternativen wurden insgesamt sechs Zeichnungen erstellt und dem Pa tentantrag beigefügt (Fig. 6-11).A total of six drawings were created for both alternatives and attached to the patent application ( Fig. 6-11).

Alternative C (see Fig. 6, 7, 8)

Die Druckaufbaueinrichtung besteht aus 2 Typen von Druckbehältern, zugehörige Hilfspumpen, Steuerventile, Druckrohrleitungen inklusive elektronische Steuerungs geräte mit Sensoren etc.. Die erste Art (Typ A) dient dazu die Stoffströme zu steuern um die Hauptbehälter 2 und 3 über die Druckaufbaubehälter zu füllen bzw. zu ent leeren. Die zweite Art (Typ B) von Druckbehälter ist für den Druckaufbau von dem flüssigen CO2 bestimmt.The pressure build-up device consists of 2 types of pressure tanks, associated auxiliary pumps, control valves, pressure pipes including electronic control devices with sensors etc. The first type (type A) is used to control the material flows in order to fill the main tanks 2 and 3 via the pressure build-up tanks or to empty. The second type (type B) of pressure vessel is designed to build up pressure from the liquid CO2.

Für eine DAE ist ein Behälter vom Typ A erforderlich, nachfolgend Schiebebehälter genannt, der zwei Druckaufbaubehälter vom Typ B gleichzeitig umfüllen kann. Aus technischen Gründen können anstelle eines großen Schiebebehälters mehrere klei ne, parallel arbeitenden Schiebebehälter verwendet werden. Die Anzahl von Druck aufbaubehälter ist von vielen Faktoren abhängig wie z. B. von der Temperatur der zugeführten Wärmeenergie, der Leistung der Anläge, der Technik der Wärmetau scher usw.. Die Anzahl kann zwischen 4-12 Druckaufbaubehältern liegen.A type A container is required for a DAE, hereinafter called a sliding container called, which can transfer two pressure tank type B simultaneously. Out technical reasons, instead of one large sliding container, several small ones ne, parallel sliding container can be used. The number of pressures build-up container depends on many factors such as B. from the temperature of the supplied thermal energy, the performance of the system, the technology of the heat rope shear etc. The number can be between 4-12 pressure build-up tanks.

Alternative D (see Fig. 9, 10, 11)

Diese Alternative verwendet zwei Schiebebehälter die im Gegentakt arbeiten. Eine zusätzliche Flüssigkeit als Hilfsmedium wird nicht benötigt. Der Druckaufbau erfolgt direkt in den Wärmetauschern. Der Austausch der CO2 Flüssigkeiten auf verschie denem Temperatur- bzw. Druckniveau erfolgt in kleinen Mengen schubweise über spezielle kleine Druckschleusen direkt bei den Wärmetauschern.This alternative uses two push containers that work in push-pull. A additional liquid as an auxiliary medium is not required. The pressure builds up directly in the heat exchangers. The exchange of CO2 liquids on various The temperature or pressure level occurs in small quantities in batches special small pressure locks directly at the heat exchangers.

ALTERNATIVE C

Anmerkung: Die nachfolgende Beschreibung ist nur für Alternative C zutreffend.Note: The following description only applies to alternative C.

Construction of the sliding container (pressure container type A, see Fig. 7)

Der Druckbehälter besteht aus einem zylindrischen Behälter 200, der durch zwei Quertrennwände 201, 202 in zwei spiegelbildlich gleiche Druckkammern unterteilt ist, d. h. in die Druckkammern 204 und 205 und in ein konstruktiv erforderliches Zwi schenteil. Die Volumen der beiden Druckkammern 204 und 205 sind gleich groß und haben das Volumen Q. Die Kammer 203 hat ein Volumen von ca. 0,5 Q. Hierbei entspricht Q dem Volumen, welches bei einem definierten Nachfüllvorgang aus einem Druckaufbaubehälter oder einer Gruppe von Druckaufbaubehältern in den Hauptbehälter 2 befördert wird. Die Kammern 204 und 205 werden bei den einzelnen Arbeitsschritten mit Druckluft und mit Hydrauliköl beaufschlagt, wobei diese ver schiedenen Materialien durch die Kolben eines Doppelkolben mit Dichtungen ge trennt sind. Die Kammer 203 dient als mechanisches Verbindungselement und ent hält nur Luft unter normalem atmosphärischem Druck. Prinzipiell können die beiden Kammern 204 und 205 auch getrennt als einfache Zylinder aufgebaut werden mit dem erforderlichen Abstand und der Stange des Doppelkolbens als Kraftübertra gungselement zwischen den beiden Zylindern.The pressure vessel consists of a cylindrical vessel 200 , which is divided by two transverse dividing walls 201 , 202 into two mirror-image identical pressure chambers, that is, into the pressure chambers 204 and 205 and into a structurally required intermediate part. The volumes of the two pressure chambers 204 and 205 are of the same size and have the volume Q. The chamber 203 has a volume of approximately 0.5 Q. Here Q corresponds to the volume which, in a defined refilling process, consists of a pressure build-up container or a group of pressure build-up containers is conveyed into the main container 2 . The chambers 204 and 205 are acted upon by compressed air and hydraulic oil in the individual work steps, these different materials being separated by the pistons of a double piston with seals. The chamber 203 serves as a mechanical connecting element and only contains air under normal atmospheric pressure. In principle, the two chambers 204 and 205 can also be constructed separately as a simple cylinder with the required distance and the rod of the double piston as a force transmission element between the two cylinders.

In den beiden Druckkammern 204 und 205 befindet sich jeweils ein Kolben 206 und 207 der über eine Kolbenstange mit dem Kolben des anderen Zylinders fest verbun den ist. Der Schiebebehälter ermöglicht eine kontinuierliche Nachfüllung des Haupt behälters 2 und Entleerung des Hauptbehälters 3. Damit können die Hauptbehälter 2 und 3 relativ klein aufgebaut werden und die Druckluftpuffer in den Behältern können durch eine Stickstoffmembran ersetzt werden. Mit dem Schiebebehälter werden je weils immer ein Druckaufbaubehälter (bzw. eine Gruppe von Druckaufbaubehältern) entleert in den Hauptbehälter 2 und gleichzeitig wird die Nachfüllung mittels CO2 aus dem Hauptspeicher 3 eines zweiten Druckaufbaubehälters (bzw. einer Gruppe von Druckaufbaubehältern) benutzt, um den Druckaufbau für das Hochdruck- Hydrauliköl zu ermöglichen. Die Kammern 204 und 205 haben die gleiche Funktion und Wirkungsweise. Sie arbeiten hierbei im Gegentaktverfahren. Jede der beiden Kammern enthält eine gleich große Menge an Gas, wie z. B. Luft, die ständig im Be hälter verbleibt. Eine Nachfüllung ist nur im Leckagefall oder bei z. B. Wartungsar beiten notwendig. Das Gas bzw. die Druckluft befindet sich zwischen der Kolbenau ßenwand und dem Gehäuse des Behälters. Der Druck der eingeschlossenen Druckluft variiert hierbei, abhängig von der Stellung des Kolbens in der Kammer, - von dem niederen Druckniveau des Behälters 203 bis zu einem etwas höheren Druck als der Druck des Behälters 2. In den Zwischenraum zwischen den Innensei ten der Doppelkolben und dem Gehäuse wird abwechselnd entweder Hydrauliköl auf niedrigem Druckniveau über die Ventile 208 oder 209 eingebracht bzw. in dem zuvor mit Hydrauliköl gefüllten Zwischenraum der anderen Kammer wird Hydrauliköl auf einem etwas höheren Druck als dem hohen Druckniveau vom Hauptbehälter 2 er zeugt und über die Ventile 210 oder 211 zu einem von der übergeordneten Automa tik ausgewählten Druckaufbaubehälter geführt. Mit diesem Hochdruck-Hydrauliköl erfolgt dann das Entleeren der mit Hochdruck- CO2 gefüllten Druckaufbaubehälter. Durch zwei gegenläufige Bewegungen des Doppelkolbens wird in zwei Arbeits schritten jeweils die Menge Q/2 in jedem der beiden Arbeitsschritte in der Zeit T/2 entleert bzw. nachgefüllt.In each of the two pressure chambers 204 and 205 there is a piston 206 and 207 which is connected via a piston rod to the piston of the other cylinder. The sliding container enables continuous refilling of the main container 2 and emptying of the main container 3 . This allows the main tanks 2 and 3 to be built relatively small and the compressed air buffers in the tanks can be replaced by a nitrogen membrane. With the sliding tank, a pressure build-up tank (or a group of pressure build-up tanks) is always emptied into the main tank 2 and at the same time the refilling with CO2 from the main storage 3 of a second pressure build-up tank (or a group of pressure build-up tanks) is used to build up the pressure to enable the high pressure hydraulic oil. The chambers 204 and 205 have the same function and mode of operation. You work in push-pull mode. Each of the two chambers contains an equal amount of gas, such as. B. Air that remains in the container constantly. Refilling is only necessary in the event of a leak or when e.g. B. Maintenance work required. The gas or compressed air is located between the outer wall of the piston and the housing of the container. The pressure of the enclosed compressed air varies, depending on the position of the piston in the chamber, from the lower pressure level of the container 203 to a slightly higher pressure than the pressure of the container 2 . In the space between the insides of the double pistons and the housing, either hydraulic oil at a low pressure level is alternately introduced via valves 208 or 209 or in the space previously filled with hydraulic oil in the other chamber, hydraulic oil is at a somewhat higher pressure than the high pressure level of Main container 2 it produces and led via the valves 210 or 211 to a pressure build-up container selected by the higher-level automatic. This high-pressure hydraulic oil is then used to empty the pressure build-up tanks filled with high-pressure CO2. Through two opposite movements of the double piston, the quantity Q / 2 in each of the two work steps is emptied or replenished in time T / 2 in two work steps.

The sliding container has the following connections

An die Kammern 204 und 205 jeweils einen Anschluß für das Hydrauliköl auf niedri gem Druckniveau über die Ventile 208 und 209 sowie jeweils einen Ausgang für das Hydrauliköl auf hohem Druckniveau über die Ventile 211 und 212. Die Ventile werden hierbei vorzugsweise druck- bzw positionsabhängig direkt hydraulisch gesteuert.At the chambers 204 and 205 each have a connection for the hydraulic oil at a low pressure level via the valves 208 and 209 and an outlet for the hydraulic oil at a high pressure level via the valves 211 and 212 . The valves are preferably controlled hydraulically, depending on the pressure or position.

annotation

Die Anpassung des Schiebebehälters an unterschiedliche Drücke für den oberen bzw. unteren Druck und damit auch unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse kann z. B. über hydraulisch verstellbare äußere Stirnseiten der Kammern 204 und 205 er folgen. Bei zwei getrennten Behältern mit jeweils einer Kammer 204 bzw. 205 kann eine Anpassung durch eine Veränderung des Abstandes der Behälter bzw. einer Anpassung der Länge der Kolbenstange erfolgen. The adjustment of the sliding container to different pressures for the upper or lower pressure and thus also different compression ratios can, for. B. on hydraulically adjustable outer end faces of the chambers 204 and 205 he follow. In the case of two separate containers, each with a chamber 204 or 205 , an adaptation can be carried out by changing the distance between the containers or by adapting the length of the piston rod.

Structure of pressure build-up tank (pressure tank type B see Fig. 8)

Der Druckbehälter B besteht aus einem zylindrischen Druckbehälter 230, in wel chem ein Trennkolben 231 mit Abdichtungen zur Behälterwand zwischen den beiden Enden der Druckkammer in beiden Richtungen beweglich angeordnet ist. Der Trenn kolben kann dabei auch auf einer Hohlwelle 232 geführt werden, mittels derer, das im Behälter befindliche, flüssige CO2 mittels z. B. Wasserdurchströmung geheizt werden kann. An einem Ende der Kammer ist aus Sicherheitsgründen eine Volu menausdehnungskammer 233 für den Fall vorgesehen, dass der Druck innerhalb der Druckaufbaukammer aufgrund technischer oder menschlicher Fehler zu hoch ansteigt. Die Volumenausdehnungskammer enthält ebenfalls Druckluft mit dem hö heren Druck sowie eine einstellbare Feder, so dass diese Sicherheitseinrichtung bei ca. 10-20% Überdruck anspricht. In einem solchen Falle öffnet automatisch eine Druckklappe 234 und der Druck wird durch die Ausdehnung der Flüssigkeit sofort stark reduziert.The pressure vessel B consists of a cylindrical pressure vessel 230 , in which a separating piston 231 with seals to the vessel wall is arranged to be movable in both directions between the two ends of the pressure chamber. The separating piston can also be guided on a hollow shaft 232 , by means of which the liquid CO2 in the container by means of z. B. water flow can be heated. For safety reasons, a volume expansion chamber 233 is provided at one end of the chamber in the event that the pressure inside the pressure build-up chamber rises too high due to technical or human errors. The volume expansion chamber also contains compressed air with the higher pressure and an adjustable spring so that this safety device responds at approx. 10-20% overpressure. In such a case, a pressure flap 234 opens automatically and the pressure is immediately greatly reduced by the expansion of the liquid.

Die Druckaufbaubehälter dienen zur Erwärmung der CO2-Flüssigkeit von z. B. 10°C auf 20°C und damit gleichzeitig der Druckerhöhung in der CO2-Flüssigkeit. Jeder Druckbehälter verfügt über nachfolgende Anschlüsse:The pressure build-up tanks are used to heat the CO2 liquid from e.g. B. 10 ° C to 20 ° C and at the same time the pressure increase in the CO2 liquid. Everyone The pressure vessel has the following connections:

An einem Ende sind jeweils ein Anschluß für die Füllung bzw. Entleerung der CO2 Flüssigkeit 235, 236 sowie ein Meßfühler 237 für Temperatur und Druck der in der Kammer befindlichen CO2-Flüssigkeit angebracht. Am anderen Ende befinden sich zwei Anschlüsse für die zwei Hydraulikölanschlüsse 238, 239 auf höherem bzw. niedrigerem Druckniveau. Alle Anschlüsse, ausgenommen die der Meßfühler, kön nen mit einer Gruppe von weiteren Druckbehältern auf Sammelleitungen geführt werden, die jeweils gemeinsame Absperreinrichtungen haben, wie z. B. steuerbare Ventile 240-244.At one end there is a connection for filling or emptying the CO2 liquid 235 , 236 and a sensor 237 for the temperature and pressure of the CO2 liquid in the chamber. At the other end there are two connections for the two hydraulic oil connections 238 , 239 at higher and lower pressure levels. All connections, with the exception of the sensor, can be carried with a group of further pressure vessels on manifolds, each of which has common shut-off devices, such as. B. controllable valves 240-244 .

Jede Kammer wird von warmem Wasser erwärmt, das über den Außenmantel bzw. die Hohlwelle in der Druckaufbaukammer die Wärme an die CO2-Flüssigkeit abgibt. Mit dem warmen Wasser kann auch das Zwischenmedium, wie z. B. das Hydrauli köl, erwärmt werden und damit z. B. die Kammerwände vorgewärmt werden. Weiter hin ist der Anschluß eines externen Wärmetauschers 245 möglich. Der Wärmetau scher ist z. B. ein Wärmetauscher mit sehr vielen dünnen Rohren und damit einem großen Wärmeübergang. Er ist mit flüssigem CO2 gefüllt und wird während der Um füllvorgänge des Druckaufbaubehälters über Trennschieber 246, 247 von dem Druckaufbaubehälter getrennt. Während dieser Zeit erwärmt sich das in dem Wär metauscher befindliche CO2. Der Inhalt eines größeren Druckbehälters kann mit ei nem entsprechend dimensionierten Wärmetauscher sehr viel schneller erwärmt wer den. Die Pumpe 248 bewirkt den raschen Austausch der erwärmten CO2 Flüssigkeit aus dem Wärmetauscher mit dem Inhalt des Druckaufbaubehälters. Die Zuführung der Wärme (Wassermenge) ist hierbei für jede Gruppe von Kammern bzw Wärme tauschern regelbar (in den Zeichnungen nicht dargestellt.)Each chamber is heated by warm water, which emits the heat to the CO2 liquid via the outer jacket or the hollow shaft in the pressure build-up chamber. With the warm water, the intermediate medium, such as. B. the hydraulic oil, are heated and thus z. B. the chamber walls are preheated. An external heat exchanger 245 can also be connected. The heat exchanger is z. B. a heat exchanger with a lot of thin tubes and thus a large heat transfer. It is filled with liquid CO2 and is separated from the pressure build-up container during the filling process of the pressure build-up container by means of slide valves 246 , 247 . During this time, the CO2 in the heat exchanger heats up. The contents of a larger pressure vessel can be heated much faster with a suitably dimensioned heat exchanger. The pump 248 effects the rapid exchange of the heated CO2 liquid from the heat exchanger with the contents of the pressure build-up container. The supply of heat (amount of water) can be regulated for each group of chambers or heat exchangers (not shown in the drawings).

Die Anzahl und die Größe der Druckaufbaubehälter ist abhängig von der Temperatur der Wärmezuführung, der Leistung der CO2 Kraftstation und dem Leistungsverstell bereich der Kraftstation. Im Normalfall ist bei Einsatz von externen Wärmetauschern mit einer Anzahl von 4 bis 8 Druckaufbaubehältern zu rechnen, wobei diese in 2-4 Gruppen, aufgeteilt sind. Ohne den Einsatz von externen Wärmetauschern ist mit einer höheren Zahl von z. B. 10 bis 30 Druckaufbaubehältern zu rechnen. The number and size of the pressure build-up tanks depends on the temperature the heat supply, the power of the CO2 multi-gym and the power adjustment area of the gym. Normally when using external heat exchangers with a number of 4 to 8 pressure build-up tanks, these in 2-4 Groups that are divided. Without using external heat exchangers a higher number of e.g. B. 10 to 30 pressure build-up containers.

Functional description (see the drawings Fig. 64)

Die Druckaufbaueinrichtung, im nachfolgenden auch DAE genannt, verwendet das Hilfsmedium Hydrauliköl, um den Entleerungs- bzw. Füllvorgang der Druckaufbaube hälter mit den unterschiedlichen Drücken auszugleichen.The pressure build-up device, also called DAE in the following, uses this Auxiliary medium hydraulic oil for the emptying or filling process of the pressure build-up to balance containers with the different pressures.

First some general information

Bei einer CO2-Kraftstation mit einer Flüssigkeit als Hilfsmedium benötigen die Hauptbehälter 2 und 3 jeweils nur kleine Volumina, da der Nachfüllvorgang quasi synchron zum Abfließen über die Turbine erfolgt und damit nur sehr geringe Volu menveränderungen auftreten können. Behälter mit ca. 0.5 Q-Q sind daher ausrei chend. Der Druckluftpuffer kann durch eine Stickstoffmembran ersetzt werden. Die Zeitdauer für die Wiedererwärmung der pro Zeiteinheit von 1 Sekunde durch die Turbine abfließenden Menge bestimmt die Anzahl und das Volumen der Druckauf baubehälter. Bei einem Durchfluß von 1 kg/s und einer angenommenen Wiederauf heizzeit mittels der Druckaufbaubehälter für diese Menge von 100 s bedeutet dies, dass mindestens 100 kg an flüssigen CO2 (Puffermenge) für den Aufwärmkreislauf benötigt werden. Neben der Temperaturdifferenz zwischen der Wärmeeinspeisung und der CO2 Flüssigkeit ist die Technik der Erwärmung der CO2 Flüssigkeit daher von großer Bedeutung. Die Zeit für die Aufwärmung der abgekühlten CO2 Flüssigkeit ist entscheidend für die Größe der Anlage.In the case of a CO2 power station with a liquid as auxiliary medium, the main containers 2 and 3 each require only small volumes, since the refilling process is quasi-synchronous with the flow through the turbine and therefore only very small volume changes can occur. Containers with approx. 0.5 QQ are therefore sufficient. The compressed air buffer can be replaced by a nitrogen membrane. The time period for the reheating of the quantity flowing through the turbine per unit of time of 1 second determines the number and the volume of the pressure build-up containers. With a flow rate of 1 kg / s and an assumed reheating time using the pressure build-up tank for this amount of 100 s, this means that at least 100 kg of liquid CO2 (buffer amount) are required for the warm-up circuit. In addition to the temperature difference between the heat feed and the CO2 liquid, the technique of heating the CO2 liquid is therefore of great importance. The time to warm up the cooled CO2 liquid is decisive for the size of the system.

Neben der Gesamtzeit für einen kompletten Umlauf ist die Zeit T für einen Umfüllvor gang für die weitere Betrachtung wichtig. In der Zeit T fließt die bei einem Umfüllvor gang mittels des Schiebebehälters und einer Gruppe von Druckaufbaubehältern nachgefüllte Menge Q an CO2 Flüssigkeit vom Hauptbehälter 2 über die Turbine zum Hauptbehälter 3. Diese Zeit ist ebenfalls zu optimieren. In erster Linie sollte Q so klein als möglich sein, damit die einzelnen Anlagenteile ebenfalls möglichst klein dimensioniert werden können.In addition to the total time for a complete cycle, the time T for a transfer process is important for further consideration. In the time T, the amount Q of CO2 liquid refilled from the main tank 2 via the turbine to the main tank 3 during a refilling operation by means of the sliding tank and a group of pressure build-up tanks. This time should also be optimized. First and foremost, Q should be as small as possible so that the individual system parts can also be dimensioned as small as possible.

Damit fließt vom Hauptbehälter 2 das Volumen Q einer Gruppe von Druckaufbau kammern ab und gleichzeitig erhöht sich beim Hauptbehälter 3 dieses Volumen an flüssigem CO2 auf dem niedrigeren Druckniveau.Thus, the volume Q of a group of pressure build-up chambers flows from the main container 2 and at the same time this volume of liquid CO2 increases at the lower pressure level in the main container 3 .

Bei einem kontinuierlichen Nachfließen dieser Mengen aus der Druckaufbaueinrich tung ergeben sich keine Verschiebungen in den CO2 Volumina und in den Gasvolu mina. Mit dem Schiebebehälter wird zusammen mit einer Regelung der Durchfluß menge durch die Ventile 208 bis 212 eine kontinuierliche Nachfüllung erreicht. In dem nachfolgenden Beispiel wird ein Nachfüllvorgang für eine Menge Q be schrieben, der zeitlich in der Zeit T des Durchlaufs der Menge Q durch die Turbine stattfindet. Hierbei wird gleichzeitig ein Druckaufbaubehälter entleert und ein zweiter gefüllt.If these quantities continuously flow from the pressure build-up device, there are no shifts in the CO2 volumes and in the gas volume. With the sliding container, a continuous refill is achieved together with a control of the flow rate through the valves 208 to 212 . In the example below, a refill process for a quantity Q is described, which takes place in time T in the time T of the quantity Q passing through the turbine. At the same time, a pressure build-up tank is emptied and a second one is filled.

Description of the interaction of the sliding container with two pressures build-up containers

Die nachfolgende Erläuterung geht von zwei Druckaufbaubehälter und einem Schie bebehälter aus. Prinzipiell ist dieser Vorgang auch bei einer Umfüllung einer Gruppe von einzelnen Druckaufbaubehältern gleich.The following explanation assumes two pressure build-up tanks and one slide container. In principle, this process is also when transferring a group of individual pressure build-up tanks the same.

Zum Ausgangszeitpunkt befindet sich im Schiebebehälter in der Kammer 204 Druckluft mit dem Niveau des Druckes vom Hauptbehälter 3 (niedriger Druck) und der Kolben ist in der äußersten rechten Position. Die Kammer 205 ist zur Hälfte, d. h. mit Q/2 an Hydrauliköl gefüllt. In der anderen Hälfte der Kammer befindet sich Druckluft auf einem etwas höheren Druckniveau als der Druck im Hauptbehälter 2. Der Kolben in 205 befindet sich dabei etwa in der Mitte der Kammer 205. Durch Öff nen des Ventils 211 am Schiebebehälter für das Hydrauliköl und das Ventil 241 am Druckaufbaubehälter (für die Füllung des Hauptbehälter 2) für das zurückfließende CO2 auf hohem Druck kann das Hydrauliköl aus dem Schiebebehälter zu dem Druckaufbaubehälter 1 fließen. Der etwas höhere Druck wird als Differenzdruck zwi schen dem Druck des Hydrauliköls und dem Druck des erwärmten CO2 in dem Druckaufbaubehälter benötigt, um das CO2 aus dem Druckaufbaubehälter in den Hauptbehälter 2 zu drücken. Das Hydrauliköl verdrängt also das Hochdruck CO2 und schiebt dieses in den Hauptbehälter 2. Für den erforderlichen Druckaufbau muß während dieser Vorgang abläuft, gleichzeitig über das Ventil 206 die zweite Hälfte Hydrauliköl Q12 mit dem Druck des Hauptbehälters 3 zwischen die Kolbeninnenseite des Kolbens 206 und das Gehäuse der Kammer 204 befördert werden. Nach Entlee rung der Menge von Q12 aus der Kammer 205 steht somit die Kammer 204 bereit den selben Arbeitsschritt, aber in umgekehrter Richtung, durchzuführen. Die beiden Kammern "schwingen" damit im Gegentakt zwischen Aufnahme und Abgabe von Hydrauliköl und damit auch druckmäßig ständig hin und her.At the time of exit, compressed air at the level of the pressure from the main container 3 (low pressure) is in the sliding container in the chamber 204 and the piston is in the rightmost position. Chamber 205 is half full, ie filled with Q / 2 hydraulic oil. In the other half of the chamber, compressed air is at a slightly higher pressure level than the pressure in the main container 2 . The piston in 205 is located approximately in the middle of chamber 205 . By opening the valve 211 on the sliding tank for the hydraulic oil and the valve 241 on the pressure build-up tank (for filling the main tank 2 ) for the returning CO2 at high pressure, the hydraulic oil can flow from the push tank to the pressure build-up tank 1 . The somewhat higher pressure is required as a differential pressure between the pressure of the hydraulic oil and the pressure of the heated CO2 in the pressure build-up tank in order to press the CO2 from the pressure build-up tank into the main tank 2 . The hydraulic oil displaces the high pressure CO2 and pushes it into the main tank 2 . For the necessary pressure build-up to take place during this process, the second half of hydraulic oil Q12 with the pressure of the main container 3 is simultaneously conveyed between the inside of the piston of the piston 206 and the housing of the chamber 204 via the valve 206 . After the amount of Q12 has been emptied from the chamber 205 , the chamber 204 is thus ready to carry out the same work step, but in the opposite direction. The two chambers thus "swing" in a push-pull between the intake and discharge of hydraulic oil and thus also in terms of pressure back and forth.

Sobald der Druckaufbaubehälter vollständig von CO2 geleert ist, wird das Ventil 241 am Druckaufbaubehälter geschlossen. Der Entleerungsvorgang des Druckaufbau behälters ist damit beendet und der Druckaufbaubehälter ist jetzt vollständig mit Hy drauliköl gefüllt. Dieses Hydrauliköl wird bei dem nächsten Umfüllvorgang mittels des aus dem Hauptbehälter 3 kommenden flüssigen CO2 auf niedrigen Druckniveau wieder zurück in den Schiebebehälter befördert.As soon as the pressure build-up tank is completely emptied of CO2, the valve 241 on the pressure build-up tank is closed. The emptying process of the pressure build-up container is now complete and the pressure build-up container is now completely filled with hydraulic oil. During the next refilling process, this hydraulic oil is conveyed back into the sliding container at a low pressure level by means of the liquid CO2 coming from the main container 3 .

Die Umfüllvorgänge laufen ohne Unterbrechungen nacheinander ab. Durch rechtzei tiges Öffnen eines Ventils für eine neue Druckaufbaukammer kann damit ein gleich mäßiges, d. h. weitgehend stoßfreies Nachfüllen des Hauptbehälters 2 mit CO2- Flüssigkeit auf hohem Druckniveau realisiert werden. Analog gilt dies für das Nach füllen der geleerten Druckaufbaukammern.The refilling processes take place in succession without interruptions. By opening a valve in time for a new pressure build-up chamber, a uniform, ie largely shock-free refilling of the main container 2 with CO2 liquid can be achieved at a high pressure level. This applies analogously to the refilling of the empty pressure build-up chambers.

Advantages of the alternative C

Die Verwendung von Hydrauliköl als Zwischenmedium bietet nachfolgende Vorteile:
The use of hydraulic oil as an intermediate medium offers the following advantages:

1. Due to the continuous refilling of the heated CO2 in the main tank 2 , the main tanks 2 and 3 can be dimensioned much smaller and a gas pressure compensation device can be omitted.
2. The hydraulic oil also serves for better lubrication of the inner surfaces of the various pressure vessels for the piston movements.
3. The pressure build-up tanks can be preheated from the inside using the hydraulic oil what improves the heating technology and also shortens the heating time.
4. The pressure reduction in the pressure build-up chambers after the high pressure has been emptied CO2 is therefore very easy to implement with very little loss.
5. Only liquids are in the pipes between the individual parts of the system transported and thus the amount of compressed air required is significantly reduced.
6. Through the use of additional external heat exchangers for the pressure Construction chambers can achieve short heating-up times in the seconds range and therefore only a few pressure build-up tanks are still required.

ALTERNATIVE D Generally

Die Alternative D eignet sich vor allem für Anlagen bzw. Kraftmaschinen mit niedri gen Temperaturen der zur Verfügung stehenden Wärmequellen. Typische Anwen dungsbereiche sind z. B. große solarthermische Anlagen, die Restwärmenutzung von thermischen Kraftwerken, geothermische Anlagen aber auch Kleinanlagen für die Nutzung der Umweltwärme.The alternative D is particularly suitable for systems or power machines with low temperatures of the available heat sources. Typical users areas of application are z. B. large solar thermal systems, the use of residual heat of thermal power plants, geothermal plants but also small plants for the use of environmental heat.

Der Aufbau einer großen, leistungsfähigen Anlage erfordert möglichst geringe Di mensionen der einzelnen Anlagenteile, eine große Flexibilität in der Führung des Kraftwerkbetriebes, eine gute Verfügbarkeit der Gesamtanlage und aufgrund der Größe der Anlagen auch ein hohes Maß an Sicherheit.The construction of a large, powerful system requires the smallest possible Di dimensions of the individual system parts, great flexibility in the management of the Power plant operation, good availability of the entire system and due to Plant size also a high level of security.

Grundsätzlich ist eine CO2 Kraftstation nur soweit im Leistungsbereich variabel, als auch die zuführbare Energie, d. h. in diesem Falle die Wärmeenergie, anpassfähig an die wechselnden Betriebsanforderungen, zur Verfügung steht. Entscheidend sind die Techniken der Wärmetauscher. Anstelle von großen Druckaufbaubehältern mit je weils zugeordneten oder flexiblen großen Wärmetauschern, basiert die Technik der Alternative D auf einer Vielzahl von kleinen bis mittleren Wärmetauschern. Die An zahl der dabei in Betrieb befindlichen Wärmetauschern kann dabei variabel sein. Durch Öffnen der zugeordneten Schieber bzw. Ventile können leistungsabhängig zusätzliche Wärmetauscher in Betrieb gehen bzw. nicht benötigte aus dem Betrieb genommen werden. Damit sind, abhängig von den Maschinendaten und der zur Verfügung stehenden Wärmeenergie, - verschiedene Leistungsbereiche erfüllbar. Auch Lastschwankungen sind mit der Anlage mit einer Verzögerung bedingt durch die Aufheizzeit neu zugeschalteter Wärmetauscher nachfahrbar, solange die erfor derliche zusätzliche Wärmenergie zur Verfügung steht.Basically, a CO2 multi-gym is only as variable in the performance range as also the supplyable energy, d. H. in this case the heat energy, adaptable the changing operational requirements is available. They are crucial Techniques of heat exchangers. Instead of large pressure tanks with each because assigned or flexible large heat exchangers, the technology of Alternative D on a variety of small to medium heat exchangers. The An The number of heat exchangers in operation can be variable. By opening the assigned slide or valve can be performance-dependent additional heat exchangers are put into operation or those that are not required are taken out of operation be taken. This means that, depending on the machine data and the Available thermal energy, - different performance ranges can be met. Load fluctuations are also caused by the system with a delay the heat-up time of newly connected heat exchangers can be traced as long as the required additional heat energy is available.

Eine komplette CO2 Kraftstation gemäß Alternative D besteht im wesentlichen aus den folgenden mechanischen bzw. elektrischen Komponenten:
A complete CO2 multi-gym according to Alternative D essentially consists of the following mechanical or electrical components:

- The two main stores 2 and 3 as expansion tanks
- a turbine and a generator
- two sliding containers that work in push-pull
- a variety of heat exchangers with pressure locks (e.g. 30)
- associated pipes and valves, auxiliary units
- a higher-level automatic control system including sensors and actuators

Nachfolgend werden die Schiebebehälter, die Technik der Wärmetauscher sowie das Zusammenwirken der Schiebebehälter mit den Wärmetauschern und den restli chen Hauptkomponenten einer Anlage beschrieben.Below are the sliding tanks, the technology of the heat exchangers as well the interaction of the sliding container with the heat exchangers and the rest Chen main components of a system described.

Description of the sliding container (see Fig. 11)

Der Schiebebehälter 300 ist ein zylindrischer Druckbehälter, unterteilt durch eine Trennwand 301 in zwei gleich große Kammern 302 und 303 die einen spiegelbildli chen identischen Aufbau haben. Jede der beiden Kammern hat ein Volumen von ca. 1 Q. Jede der Kammern wird in jeweils zwei variable Bereiche 302A, 302B sowie 303A, 303B durch einen in der Kammerachse beweglichen Kolben aufgeteilt 304 und 305. Diese beiden Kolben sind durch eine abgedichtete Öffnung in der Trenn wand 301 über eine Kolbenstange 306 miteinander starr verbunden und bilden da durch einen Doppelkolben. In den Kammerbereichen zwischen den Kolbeninnenflä chen und der Trennwand befindet sich flüssiges CO2. In dem Bereich 302B befindet sich CO2 Flüssigkeit mit dem Druck nach der Turbine, d. h. mit niedrigem Druck. In dem Bereich 303B befindet sich CO2 Flüssigkeit mit hohem Druck, d. h. mit dem Druck vor der Turbine. In dem anderen Bereich befindet sich in der Kammer 302A Druckluft mit dem gleichen Druck wie in 302B und in 303A Druckluft auf dem glei chen Druckniveau wie die CO2 Flüssigkeit in 303B. Außerdem verfügt der Schiebe behälter an jeder der beiden Druckluftkammern 302 und 303 links und rechts neben der Trennwand jeweils über einen Ausgang 307 und einen Einlass 308 mit den Ventilen 309 und 310 und auf der gegenüberliegenden Seite über jeweils einen Ein lass 311 und Ausgang 312 mit den Ventilen 313 und 314. Die vier Ventile werden direkt hydraulisch über die Bewegung des Doppelkolbens gesteuert. Hierzu dient z. B. ein hydraulisches Steuergerät 317. Bewegt sich der Doppelkolben nach links wird 313, 314 geöffnet und 309, 310 geschlossen und bei der Bewegung in Gegen richtung werden 313, 314 geschlossen und 309, 310 geöffnet. Das Öffnen bzw. Schließen der jeweils vier Ventile bei den im Gegentakt arbeitenden beiden Schiebe behältern erfolgt dabei überlappend, so dass ein kontinuierliches Fließen der CO2 Flüssigkeiten gewährleistet ist.The sliding container 300 is a cylindrical pressure container, divided by a partition 301 into two equal size chambers 302 and 303 which have a mirror-image identical structure. Each of the two chambers has a volume of approximately 1 Q. Each of the chambers is divided into two variable areas 302 A, 302 B and 303 A, 303 B by a piston 304 and 305 movable in the chamber axis. These two pistons are through a sealed opening in the partition wall 301 rigidly connected to each other via a piston rod 306 and form there by a double piston. Liquid CO2 is located in the chamber areas between the inner surfaces of the piston and the partition. In the area 302 B there is CO2 liquid with the pressure after the turbine, ie with low pressure. In the area 303 B there is CO2 liquid with high pressure, ie with the pressure in front of the turbine. In the other area, chamber 302A contains compressed air with the same pressure as in 302B and in 303A compressed air at the same pressure level as the CO2 liquid in 303B. In addition, the sliding container on each of the two compressed air chambers 302 and 303 left and right next to the partition wall each has an outlet 307 and an inlet 308 with the valves 309 and 310 and on the opposite side each have an inlet 311 and outlet 312 with the Valves 313 and 314 . The four valves are controlled directly hydraulically by the movement of the double piston. This serves z. B. a hydraulic control unit 317 . If the double piston moves to the left, 313, 314 is opened and 309, 310 is closed and when moving in the opposite direction, 313, 314 are closed and 309, 310 are opened. The opening and closing of the four valves in the push-pull two sliding containers takes place overlapping, so that a continuous flow of the CO2 liquids is guaranteed.

Die beiden Verbindungen 307 und 308 führen auf eine Gruppe von Wärmetau schern. Die beiden Verbindungen 311 und 312 führen hinter bzw. vor die Turbine bzw. zu den Hauptbehältern(jetzt vielmehr Ausgleichsbehälter) 2 und 3. Beide Druckluftbereiche in den Kammern 302A und 303A sind mit der zugehörigen Gruppe von Wärmetauschern verbunden über ein steuerbares Ventil 315 und 316. Diese Ventile sind normalerweise immer geöffnet.The two connections 307 and 308 lead to a group of heat exchangers. The two connections 311 and 312 lead behind or in front of the turbine or to the main tanks (now rather expansion tanks) 2 and 3 . Both compressed air areas in the chambers 302 A and 303 A are connected to the associated group of heat exchangers via a controllable valve 315 and 316 . These valves are usually always open.

Die Größe der Schiebebehälter ist abhängig von der Leistungsgröße der Anlage so wie von der Frequenz der Schiebebewegungen und diese sind wiederum eine Funk tion der Nachheizzeit der Wärmetauscher.The size of the sliding container depends on the size of the system as from the frequency of the sliding movements and these are again a radio tion of the post-heating time of the heat exchanger.

Description of the heat exchangers (see Fig. 9 and 10)

Der Wärmetauscher 250 besteht aus einem großflächigen konventionellen Wärme tauscher 260 mit gutem Wärmeübergang und kleinen Strömungsquerschnitten für das durchströmende flüssige CO2. Er ist für den erforderlichen Druckbereich inkl. Sicherheitsreserven für den Druck inkl. Sicherheitsarmaturen (wie z. B. Überdruck ventil)auszulegen. Im Wärmetauscher befindet sich flüssiges CO2. Alle im Betrieb befindlichen Wärmetauscher sind in Gruppen parallel geschaltet (pro Schiebebe hälter ist es eine Gruppe). Die Darstellung gemäß Fig. 10 zeigt nur die prinzipielle Aufteilung. Die äußere Form bzw. das Material der Wärmetauscher kann entspre chend den spezifischen Anforderungen verschieden sein. Der Anschluß an die Sammelleitungen (für mehrere Wärmetauscher) erfolgt für jeden Wärmetauscher über eine eigene kleine Druckschleuse 251. Diese Druckschleuse kann auch ge trennt von dem Wärmetauscher aufgebaut und mit kurzen Druckleitungen mit dem Wärmetauscher verbunden werden. Diese Druckschleuse ermöglicht über einen kleinen Doppelkolben 252 in einer Zylinderkammer den Austausch von ca. 3-20% des Inhalts eines Wärmetauschers an flüssigen CO2 auf niedrigem Druck gegen das gleiche Volumen von flüssigen CO2 auf hohem Druck. Die Menge des prozentual austauschbaren Volumens pro Wärmetauscher ist abhängig von der Größe und der Anzahl von parallel geschalteten Wärmetauschern sowie von der Aufheizzeit. Der Anschluß an die Sammelleitungen erfolgt für die CO2 Ein- bzw. Ausgänge über Leitungen mit Rückschlagventilen 256 und 257 sowie einem hydraulisch gesteuerten Ventil 258. Das Ventil 258 ist nur dann offen, wenn der Doppelkolben geöffnet wird, d. h. während der Öffnungsbewegung. Die bei einem Austauschvorgang einge brachte Menge an CO2 mit niedrigem Druck in die Druckschleuse des Wärmetau schers wird durch die nachfolgende Gegenbewegung des Doppelkolbens in den Wärmetauscher gedrückt. Diese Gegenbewegung wird verursacht durch die Ände rung der Bewegungsrichtung des Doppelkolbens durch die Umschaltung der Ventile 313, 314 sowie 309, 310. Der Druck der CO2 Flüssigkeit im Wärmetauscher zu sammen mit der Druckluft aus 302A schiebt den Doppelkolben wieder in die Aus gangsstellung zurück. Ein möglicher Druckabfall durch das Nachfüllen von CO2 Flüssigkeit auf niedrigem Druckniveau wird kompensiert durch ein Druckausgleich gefäß mit Stickstoffpuffer 263.The heat exchanger 250 consists of a large-area conventional heat exchanger 260 with good heat transfer and small flow cross-sections for the flowing liquid CO2. It must be designed for the required pressure range including safety reserves for the pressure including safety fittings (such as a pressure relief valve). There is liquid CO2 in the heat exchanger. All the heat exchangers in operation are connected in parallel in groups (there is one group per sliding container). The illustration according to FIG. 10 shows only the basic division. The outer shape or the material of the heat exchanger can be different depending on the specific requirements. The connection to the manifolds (for several heat exchangers) takes place for each heat exchanger via its own small pressure lock 251 . This pressure lock can also be constructed separately from the heat exchanger and connected to the heat exchanger with short pressure lines. Via a small double piston 252 in a cylinder chamber, this pressure lock enables the exchange of approx. 3-20% of the content of a heat exchanger of liquid CO2 at low pressure against the same volume of liquid CO2 at high pressure. The amount of volume that can be exchanged as a percentage per heat exchanger depends on the size and number of heat exchangers connected in parallel and on the heating-up time. The connection to the manifolds for the CO2 inputs and outputs is via lines with check valves 256 and 257 and a hydraulically controlled valve 258 . The valve 258 is only open when the double piston is opened, ie during the opening movement. The amount of CO2 introduced at low pressure into the pressure lock of the heat exchanger during an exchange process is pressed into the heat exchanger by the subsequent counter-movement of the double piston. This counter movement is caused by the change in the direction of movement of the double piston by switching the valves 313 , 314 and 309 , 310 . The pressure of the CO2 liquid in the heat exchanger together with the compressed air from 302A pushes the double piston back into the starting position. A possible pressure drop due to the refilling of CO2 liquid at a low pressure level is compensated for by a pressure compensation vessel with nitrogen buffer 263 .

Über einen Bypass mit einem Rückschlagventil 261 wird das CO2 mit niedriger Temperatur an den Fußpunkt des Wärmetauschers geführt und durchläuft dann schubweise mit jedem Austauschvorgang den Wärmetauscher, d. h. in ca. 5 bis 30 Schritten in seiner ganzen Länge. Auf diesem Weg erfolgt die Erwärmung der über die Druckschleuse nachgeführten Mengen, verbunden mit dem Druckaufbau.The CO2 is led to the base of the heat exchanger at a low temperature via a bypass with a check valve 261 and then passes through the heat exchanger in batches with each exchange process, ie in its entire length in about 5 to 30 steps. In this way, the quantities fed via the pressure lock are heated, in connection with the pressure build-up.

Die Druckschleuse 251 besteht aus einer Zylinderkammer mit einer Trennwand 253 und einem Doppelkolben 252. Der Doppelkolben 252 wird bei gleichzeitig anliegen der Druckluft über den Anschluß 259 mit dem Druck gemäß dem Normaldruck im Hauptbehälter 2 sowie CO2 Flüssigkeit auf dem Druckniveau wie dem Hauptbehälter 3 bzw. nach der Turbine über den Anschluß 262 in Richtung Wärmetauscher 260 verschoben und drückt dabei CO2 Flüssigkeit aus dem Wärmetauscher auf hohem Druckniveau über den Ausgang 263 in den Schiebebehälter. Das Ventil 258 wird nur während der Öffnungsbewegung des Doppelkolbens über eine hydraulische oder pneumatische Steuerung geöffnet.The pressure lock 251 consists of a cylinder chamber with a partition 253 and a double piston 252 . The double piston 252 is simultaneously applied to the compressed air via the connection 259 with the pressure according to the normal pressure in the main container 2 and CO2 liquid at the pressure level as the main container 3 or after the turbine via the connection 262 in the direction of the heat exchanger 260 and presses CO2 Liquid from the heat exchanger at a high pressure level via outlet 263 into the sliding container. The valve 258 is only opened during the opening movement of the double piston via a hydraulic or pneumatic control.

Functional description of the pressure build-up device (see Fig. 9, 10 and 11)

Die Druckaufbaueinrichtung besteht aus zwei Schiebebehältern 300 und zwei Grup pen von Wärmetauschern 250 gemäß Fig. 9. In Fig. 9 ist nur ein Wärmetauscher einer Gruppe gezeigt. Die Nummern 250 sollen weitere Wärmetauscher darstellen. Die Gesamtzahl pro Gruppe kann z. B. 30 Stück sein.The pressure build-up device consists of two sliding tanks 300 and two groups of heat exchangers 250 according to FIG. 9. In FIG. 9 only one heat exchanger of a group is shown. Numbers 250 are intended to represent further heat exchangers. The total number per group can e.g. B. 30 pieces.

Der Doppelkolben in dem Schiebebehälter 300 wird alternierend nach rechts bzw. nach links verschoben. Mit der Bewegung nach rechts erfolgt das Nachladen der Druckschleusen mit CO2 Flüssigkeit auf niedrigem Druckniveau und gleichzeitig wird der Schiebebehälter mit Hochdruck CO2 Flüssigkeit gefüllt. Mit der Bewegung nach links erfolgt die Abgabe der Hochdruck CO2 Flüssigkeit an die Turbine und gleich zeitig das Füllen des Schiebebehälters mit CO2 Flüssigkeit auf niedrigem Druckni veau. Der zweite Schiebebehälter arbeitet im Gegentakt. Damit wird im Zu sammmenwirken mit den Hauptbehältern 2 und 3 (d. h. die Hauptbehälter sind Aus gleichsbehälter!) ein kontinuierliches Fließen der CO2 Flüssigkeiten und damit auch ein kontinuerlicher Betrieb der Kraftstation ermöglicht. Das Nachfüllen und Entleeren der Druckschleusen in den Wärmetauschern ist unter den vorangehenden Kapiteln erläutert.The double piston in the sliding container 300 is alternately shifted to the right or to the left. Moving to the right reloads the pressure locks with CO2 liquid at a low pressure level and at the same time the sliding container is filled with high pressure CO2 liquid. With the movement to the left, the high-pressure CO2 liquid is delivered to the turbine and at the same time the sliding container is filled with CO2 liquid at a low pressure level. The second sliding container works in push-pull. In this way, in conjunction with the main tanks 2 and 3 (ie the main tanks are equalizing tanks!), A continuous flow of the CO2 liquids and thus a continuous operation of the multi-gym is made possible. Refilling and emptying the pressure locks in the heat exchangers is explained in the previous chapters.

Damit ist eine alternierende Abgabe und Aufnahme der CO2 Flüssigkeiten gegeben und in Zusammenarbeit mit dem zweiten Schiebebehälter im Gegentaktbetrieb ergibt sich ein kontinuierlicher Betrieb einer CO2 Kraftstation.This means that the CO2 liquids are released and taken up alternately and in cooperation with the second sliding container results in push-pull operation continuous operation of a CO2 multi-gym.

Die Geschwindigkeit der Bewegungen der Doppelkolben in den Schiebebehältern und in den Druckschleusen ist dabei abhängig von der nachfließenden CO2 Flüssig keitsmenge durch die Turbine, denn diese liefert das flüssige Niederdruck CO2. Dies bedeutet, dass der gesamte Vorgang sich selbst regelt. D. h. bei einem Nachschub vorgang werden pro Schiebebehälter Q/2 an Hochdruck CO2 mit dem Schiebebe hälter in der Zeit T in Richtung Hauptbehälter 2 bzw. zur Turbine befördert und gleichzeitig Q/2 an Hochdruck CO2 aus den parallel geschalteten Wärmetauschern in den Schiebebehälter befördert. Weiterhin werden Q/2 an CO2 Flüssigkeit auf nied rigem Temperaturniveau bzw. Druckniveau in die Wärmetauscher befördert. The speed of the movements of the double pistons in the sliding tanks and in the pressure locks depends on the amount of CO2 liquid flowing through the turbine, because this supplies the liquid low pressure CO2. This means that the whole process takes care of itself. That is, in a replenishment process, Q / 2 high-pressure CO2 per sliding container is transported with the sliding container in the time T towards the main container 2 or the turbine, and at the same time Q / 2 high-pressure CO2 is conveyed from the heat exchangers connected in parallel into the sliding container. Furthermore, Q / 2 of CO2 liquid is conveyed into the heat exchanger at a low temperature or pressure level.

Die beiden Schiebebehälter ergänzen sich, so dass in der Zeit T die Gesamtmenge Q verarbeitet wird.The two sliding containers complement each other, so that in time T the total amount Q is processed.

Durch wechselnde Ansteuerung der beiden Schiebebehälter sind für beide Gruppen von Wärmetauschern immer eine kurze Pause für die Aufheizung gegeben. Bedingt durch die relativ kleine Austauschmenge der CO2 Flüssigkeit auf hohem Druck in den Wärmetauschern bei einem einzelnen Austauschvorgang durch CO2 auf niedriger Temperatur bzw. niedrigem Druck führt dieser Austausch nur zu einem kleinem Druckeinbruch in der einen Gruppe von den Wärmetauschern, der durch das Druckausgleichgefäß kompensiert wird.By alternately controlling the two sliding containers are for both groups heat exchangers always give a short break for heating. Due to the relatively small exchange amount of the CO2 liquid at high Pressure in the heat exchangers in a single exchange process with CO2 at low temperature or pressure, this exchange only leads to one small drop in pressure in one group of the heat exchangers, which by the Pressure compensation vessel is compensated.

Explanation of the two steps in detail Step 1

Ausgangssituation: Der Doppelkolben im Schiebebehälter 304-306 bewegt sich nach rechts und der Kolben 304 ist kurz vor der Trennwand 301 (ca. 5-10% der Ge samtwegstrecke entfernt). Ventil 313 und 314 wird bei Erreichen dieser Position ge öffnet und die Ventile 309 und 310 geschlossen. Damit wird die Bewegung des Dop pelkolbens geändert in die Gegenrichtung, d. h. nach links. Nun fließt aus 303A Hochdruck CO2 Flüssigkeit zur Turbine und gleichzeitig wird 302A wieder mit CO2 Flüssigkeit auf niedrigem Druckniveau nachgefüllt. Durch diese Bewegung wird in den einzelnen Druckschleusen der Wärmetauschern der Doppelkolben wieder in die Ausgangsstellung gebracht.Initial situation: The double piston in the sliding container 304-306 moves to the right and the piston 304 is just before the partition 301 (approx. 5-10% of the total distance). Valve 313 and 314 is opened when this position is reached and valves 309 and 310 are closed. This changes the movement of the double piston in the opposite direction, ie to the left. Now 303A high pressure CO2 liquid flows to the turbine and at the same time 302A is refilled with CO2 liquid at a low pressure level. This movement brings the double piston back into the starting position in the individual pressure locks of the heat exchangers.

2nd step

Der zweite Schritt ist die Gegenbewegung des Doppelkolbens, d. h. nach rechts. Bei Erreichen einer definierten Position des Kolbens 305 kurz vor der Trennwand 301 wird der Doppelkolben von der Bewegung nach links umgesteuert in eine Bewegung nach rechts. Hierzu werden die Ventile 313 und 314 geschlossen sowie 320 und 321 geöffnet. Nun fließt CO2 Flüssigkeit auf niedrigem Druckniveau von dem Schiebebe hälter aus dem Bereich 302B in die einzelnen Druckschleusen. Gleichzeitig fließt aus den Druckschleusen der Wärmetauscher Hochdruck CO2 in den Schiebebehälter in den Kammerbereich 303B. Während des 2. Schrittes erfolgt somit keine Entleerung des Hochdruck CO2 aus dem Schiebebehälter und auch keine Aufnahme von Nie derdruck CO2. Bei Erreichen der Endposition des Doppelkolbens beginnt dann wie der Schritt 1.The second step is the counter-movement of the double piston, ie to the right. When a defined position of the piston 305 is reached shortly before the partition 301 , the double piston is reversed from the movement to the left into a movement to the right. For this purpose, valves 313 and 314 are closed and 320 and 321 are opened. Now CO2 liquid flows at a low pressure level from the sliding container from the 302 B area into the individual pressure locks. At the same time, the high pressure CO2 heat exchanger flows from the pressure locks into the sliding tank in chamber area 303 B. During the second step, there is no emptying of the high pressure CO2 from the sliding tank and no low pressure CO2 is absorbed. When the end position of the double piston is reached, step 1 begins.

A system example with the alternative D

Nachfolgend eine grobe Abschätzung der Anlagedaten für eine Anlage mit 5 MW Ausgangsleistung an elektrischer Leistung. Bei einer angenommenen Druckdifferenz von 80 bar und einer Temperatur von 10°C für den unteren und 20°C für den oberen Wert errechnet sich zunächst aus der Druckdifferenz eine theoretische Menge von 0,6-0,7 cm Durchfluß durch die Turbine in 1 s. Unter Berücksichtigung verschiedener Verluste nehmen wir vereinfachend einen Durchfluß von 1 cm/s an. Bei einer Anzahl von 2 × 30 Wärmetauschern mit jeweils 1 cm Füllung müßten diese Wärmetauscher in einer Minute die erforderliche Nachschubmenge an flüssigen CO2 liefern. Dies ergibt bei ca 30 Leerungen die Menge von ca. 2 cm pro Leerung. Dies bedeutet, dass die Hauptbehälter 2 und 3 jeweils ein Volumen von ca. 1-2 cm haben und auch die beiden Schiebebehälter mit den Kammern 302 und 303 pro Kammer jeweils ca. 2 cm Volumen benötigt. Die Turbine und der Generator sind von den Abmessungen mit ca. 5-10 cm Volumen anzusetzen. Damit ergibt sich ein Gesamtraumbedarf von ca. 20-30 cm Volumenbedarf - allerdings ohne die erforderlichen Wärmetauscher. Diese werden etwa ein Volumen von 150-300 cm benötigen. Anmerkung: cm = KubikmeterThe following is a rough estimate of the system data for a system with an output power of 5 MW of electrical power. Assuming a pressure difference of 80 bar and a temperature of 10 ° C for the lower and 20 ° C for the upper value, a theoretical amount of 0.6-0.7 cm flow through the turbine is first calculated from the pressure difference in 1 s . Taking various losses into account, we simply assume a flow of 1 cm / s. With a number of 2 × 30 heat exchangers, each with a 1 cm filling, these heat exchangers would have to supply the required amount of liquid CO2 in one minute. With approx. 30 empties this results in the amount of approx. 2 cm per emptying. This means that the main containers 2 and 3 each have a volume of approx. 1-2 cm and the two sliding containers with the chambers 302 and 303 each require approx. 2 cm volume per chamber. The dimensions of the turbine and generator are approximately 5-10 cm. This results in a total space requirement of approx. 20-30 cm volume - but without the necessary heat exchangers. These will need a volume of approximately 150-300 cm. Note: cm = cubic meter

Advantages of the alternative D

1. The alternative D for pressure preparation offers advantages for systems that use Heat energy work at a low temperature level. By integrating the Pressure build-up function in the heat exchanger and the technology of exchange The individual pressure vessels can pass CO2 liquids through the pressure locks be dimensioned relatively small.
2. The systems are stable in terms of control technology and thus also offer the necessary conditions for the operation of large plants.
3. In terms of safety, the division of the pressure build-up function into many Small devices also significantly reduce security risks and security Possible damages.

Claims

1. Multi-gym ( 1 ) with CO2 liquid as working medium
a flow line ( 6 ) with at least one turbine ( 17 ) and
a return line ( 7 ) with at least one pressure build-up device ( 14 ), the supply line ( 6 ) and return line ( 7 ) forming a closed liquid circuit.

2. Multi-gym ( 1 ) with CO2 liquid as working medium
a high pressure container ( 2 ),
a low pressure container ( 3 ),
a flow line ( 6 ) with at least one turbine ( 17 ) from the high pressure tank ( 2 ) to the low pressure tank ( 3 ), and
a return line ( 7 ) from the low pressure tank ( 3 ) to the high pressure tank ( 2 ) with at least one pressure build-up device ( 14 ).

3. multi-gym ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the high-pressure container ( 2 ) and the low-pressure container ( 3 ) are each divided into at least two separate chambers, the chambers being equipped with adjusting means for mutual volume compensation.

4. multi-gym ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the high pressure container ( 2 ) and the low pressure container ( 3 ), each via heat exchanger ( 8 , 9 ) can be acted upon with thermal energy.

5. multi-gym ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the high-pressure container ( 2 ) and the low-pressure container ( 3 ), each contain liquid CO2 in a first of the separate chambers and a gas such as air or nitrogen in a second of the separate chamber .

6. multi-gym ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the turbine ( 17 ) is a liquid turbine which drives a generator ( 19 ).

7. multi-gym ( 1 ) according to claim 1, characterized in that when using a piston engine instead of a turbine the driven generator can be a linear generator.

8. multi-gym ( 1 ) according to claim 1, characterized in that in the return line ( 7 ) from the low-pressure container ( 3 ) to the high-pressure container ( 2 ) at least two pressure build-up devices ( 14 ) are provided.

9. multi-gym ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the pressure build-up devices ( 14 ) are divided into at least two separate chambers, the chambers being equipped with sliding elements ( 33 ) for mutual volume compensation.

10. multi-gym ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the working medium is acted upon in one of the chambers with heat.

11. multi-gym ( 1 ) according to claim 1, characterized in that a gas pressure compensation device is provided with auxiliary gas pressure accumulators and a combined relaxation, compression unit for the compressed gas using the heat energy generated during compression.

12. multi-gym ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the pressure build-up device can consist of a plurality of individual pressure chambers which are connected to one another via manifolds and can be switched individually to the manifolds via valves.

13. multi-gym ( 1 ) according to claim 1, characterized in that this multi-gym can be operated in connection with a heat pump for the use of thermal energy in the temperature range 0-30 ° C, such as. B. energy from geothermal energy or river water.

14. multi-gym ( 1 ) according to claim 1, characterized in that this multi-gym in connection with a latent heat storage high heat capacity, such as. B. sodium acetate, can be operated as an energy source for stationary and transient operation of the CO2 multi-gym.

15. multi-gym ( 1 ) according to claim 1, characterized in that a suitable almost incompressible liquid, such as. B. hydraulic oil is used for filling or emptying the liquid CO2 in or out of the pressure build-up tanks.

16. multi-gym ( 1 ) according to claim 1, characterized in that cylindrical pressure vessels are used for the pressure build-up device with expansion chambers for overpressure reduction.

17. Multi-gym ( 1 ) according to claim 1, characterized in that external heat exchangers can be connected to the cylindrical pressure vessels for the pressure build-up via controllable isolating slides.

18. multi-gym ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the pressure vessels for the pressure build-up as double chambers (tandem) can be designed with a common double piston. This results in a mechanical forced synchronization of the filling of one chamber and the simultaneous emptying of a second chamber.

19. Multi-gym ( 1 ) according to claim 1, characterized in that for controlling the filling and emptying of the pressure build-up container via two push-pull pressure chambers, a continuous refilling of the amount of liquid CO2 flowing off the turbine is made possible. A common double piston divides the pressure chambers into two variable areas for compressed air and hydraulic oil. By means of a preload with compressed air and the hydraulic oil pressure from the simultaneous absorption of the filling quantity of hydraulic oil in a second pressure container, the required high pressure of the hydraulic oil for emptying the pressure build-up containers filled with high pressure CO2 is obtained.

20. multi-gym ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the pressure build-up device with an incompressible liquid as an auxiliary medium enables the refilling of the main container 2 and the emptying of the main container 3 continuously and adapted to the amount flowing through the turbine.

21. multi-gym ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the pressure build-up takes place directly in the heat exchangers. The CO2 liquids with different pressures are exchanged via a common sliding container and individual pressure locks for each heat exchanger. The pressure locks allow the exchange of exactly the same volume or mass of CO2 liquids for each heat exchanger. Only about 3 - 20% of the contents of the heat exchanger are changed in a heat exchanger per exchange process.

22. multi-gym ( 1 ) according to claim 1, characterized in that two groups of heat exchangers are formed for the pressure build-up directly on the individual heat exchangers, each working on an associated sliding container. The two sliding containers work in push-pull mode, so that one sliding container always supplies the turbine with high-pressure CO2, thus ensuring continuous operation of the CO2 multi-gym.