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DE102018001279A1 - Vorrichtung und Verfahren als Blockheizkraftwerk mit regenerativer CO2-Zirkulation und Wärmepumpenprozess - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren als Blockheizkraftwerk mit regenerativer CO2-Zirkulation und Wärmepumpenprozess Download PDF

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DE102018001279A1
DE102018001279A1 DE102018001279.5A DE102018001279A DE102018001279A1 DE 102018001279 A1 DE102018001279 A1 DE 102018001279A1 DE 102018001279 A DE102018001279 A DE 102018001279A DE 102018001279 A1 DE102018001279 A1 DE 102018001279A1
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pressure
heat
engine
liquefied
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Abstract

Vorrichtung und Verfahren als Blockheizkraftwerk mit regenerativer CO2-Zirkulation und Wärmepumpenprozess.Dieses Verfahren, dessen Funktion auf den Enthalpie- und Druckdifferenzen eines Hochdruckgases beruht, soll eingesetzt werden, um die Effizienz von herkömmlichen Blockheizkraftwerk zu erhöhen. Im Vergleich zu bisherigen Blockheizkraftwerken, erzeugt dieses Verfahren eine größere Menge an elektrischer Energie.Mittels einer Wärmepumpe werden Druck- und Temperaturunterschiede erzeugt, die es erlauben die Entropie von CO2 soweit zu erhöhen, dass dadurch ein Gasmotor oder eine Gasturbine wirtschaftlicher angetrieben werden kann.Die Vorrichtung kommt als Blockheizkraftwerk zur Energieerzeugung und zur Beheizung von Gebäuden und/oder Brauchwasser zum Einsatz.

Description

  • EINLEITUNG
  • Vorrichtung und Verfahren als Blockheizkraftwerk mit regenerativer CO2-Zirkulation und Wärmepumpenprozess in Kombination mit einem Kältekreislauf, in dem ein Hochdruckgas (wie z.B. R744 (CO2), R744A etc.) in einem geschlossenen System zunächst annähernd isochor und anschließend annähend isobar (Flüssiggasdruck zzgl. der Federkräfte und Reibungswiderstände) erwärmt und nach dessen Expansion wieder verflüssigt wird. Hierbei wirkt der linksläufige Kreisprozess eines Kälteprozesses auf den rechtsläufigen Kreisprozess eines Antriebes, indem ein Kältemittel im Druck-Enthalpie-Diagramm linksläufig annähernd isentrop bzw. polytrop verdichtet und verflüssigt wird, um mittels der Verdampfung des Kältemittels das im Enthalpie-Druck-Diagramm rechtsläufig-zirkulierende CO2 zu verflüssigen. Die CO2-Flüssigkeit wird mittels einer Wärmepumpe, sowie der Heißgastemperatur der Verdichter und/oder mit der Abwärme der Abgase des Antriebsmotors des Verdichters annähernd isochor erwärmt, um dadurch den Druck und die Entropie der CO2-Flüssigkeit zu erhöhen. Der Verdichter wird hierbei z.B. von einem kleineren Gasmotor, oder von einem anderen Verbrennungsmotor, oder Elektromotoren mit Brennstoffzelle(n) angetrieben. Im letzteren Fall, kann die Abwärme der Brennstoffzelle zur Erwärmung vom flüssigen CO2 genutzt werden.
  • NAME DER ERFINDUNG
  • Vorrichtung und Verfahren als Blockheizkraftwerk mit regenerativer CO2-Zirkulation und Wärmepumpenprozess.
  • TECHNISCHES GEBIET
  • Stromerzeugung, Antriebstechnik, Blockheizkraftwerke, Wärmerückgewinnungsanlagen
  • STAND DER TECHNIK
  • Es ist nicht bekannt, ob eine Kälteanlage, bzw. eine Wärmepumpe genutzt wird, um hohe CO2-Druckdifferenzen zu erzeugen, die wiederrum zum Antrieb eines Gasmotors, oder eine Gasturbine zur Stromerzeugung genutzt werden können.
  • DAS ZUGRUNDELIEGENDE PROBLEM
  • Wegen den derzeitigen Auflagen und Ziele der nationalen und internationalen Behörden soll die Verbrennung von fossilen Brennstoffen für die Energieerzeugung aufgrund des Klimawandels und der Umweltverschmutzung reduziert, bzw. abgeschafft werden. Die Nutzung der spezifischen Eigenschaften von CO2, die zum Antrieb von Gasmotoren oder Gasturbinen in Kraftwerken zur Energieerzeugung genutzt werden können, trägt zur Erreichung der Energiewende bei. Mit dem nachfolgend beschriebenen Verfahren wird eine Kälteanlage bzw. eine Wärmepumpe verwendet, um einen sekundär angeschlossenen CO2-Kreislauf zu verflüssigen und zu erwärmen. Die mittels dem Wärmepumpenprozess gewonnene Wärmeenergie wird genutzt, um die Entropie von CO2 soweit zu erhöhen, dass diese für den wirtschaftlichen Antrieb eines nachgeschalteten Gasmotors oder einer Gasturbine genutzt werden kann. Der erzeugte Druck kann hierbei ein Mehrfaches vom dem betragen, was durch die Verbrennung von Gas, Benzin oder Diesel erreicht werden kann. Das verflüssigte CO2-Gas wird hierbei im Gasmotor verdampft und nach getaner Antriebsarbeit mittels eines Verflüssigers wieder verflüssigt, sodass es in einem geschlossenen System kontinuierlich zirkuliert wird. Der Verdichter wird wahlweise von kleineren Gasmotoren, oder andere Motoren betrieben. Die Energie der Abgase wird ebenfalls für die annähernd isochore Erwärmung des CO2-Flüssiggases genutzt, was die Effizienz des Gasmotors wesentlich erhöht. Mit diesem Verfahren wird der Verbrauch von z.B. Gas reduziert, bzw. die Menge an erzeugter elektrischer Energie erhöht.
  • ALLGEMEINES
  • Dieses Verfahren nutzt die Eigenschaft eines flüssigen Hochdruckgases (wie z.B. CO2), mit einer geringen Temperaturerhöhung hohe Druckunterschiede erzielen zu können. Gemäß den physikalischen Gesetzen der Energieerhaltung handelt es sich hierbei vorwiegend um künstlich erzeugte Temperatur- und Druckunterschiede. Es wird sowohl die Energiezufuhr durch die Verdampfung eines Kältemittels, als auch die Energieabfuhr durch die Verflüssigung eines Kältemittels in einem physikalisch geschlossenem System eines Kreisprozesses (Kälteprozess) als Energiequelle genutzt. D.h. die benötigte Energie wird zum einen mit Hilfe einer Wärmepumpe der Umwelt (Erdreich, Wasser, Luft und andere Wärmequellen) entzogen, und zum anderen wird die Energie der Abgase des Antriebsmotors und die Verdichtungsenergie der eingesetzten Verdichter genutzt, um hohe CO2-Drücke und große Enthalpie-Differenzen zu erhalten.
  • Alle nachfolgend beschriebenen Ventile können direkt- oder pilotgesteuert ausgeführt werden, bzw. über z.B. Nockenwellen geöffnet und geschlossen werden. Alle Druckregelventile können mechanisch, thermo-mechanisch, oder über Druck- oder Temperaturtransmitter und einer Elektronik angesteuert werden. Die Antriebe aller automatisierten Ventile können entweder mechanisch, elektro-mechanisch, elektrisch, elektro-magnetisch, pneumatisch, hydraulisch, oder gleichwertig ausgeführt werden. Die aufgeführten Wärmetauscher können sowohl als Rohrbündel-, als auch als Platten-, oder Micro-Channel-Wärmetauscher oder sonstigen Wärmeaustauschtechnologien ausgeführt werden. Die nachfolgend beschriebene Vorrichtung und das beschriebene Verfahren, das als wirtschaftlicher Antrieb von Gasmotoren eingesetzt werden soll, erzeugt mittels der zuvor erwähnten Energiequellen große Enthalpie-Differenzen bei hohen Drücken, die auf die Kolbenoberflächen des Gasmotors wirken.
  • TECHNISCHE BESCHREIBUNG
  • 1:
    Die Darstellung der Druck-Temperaturkurve von CO2 im Vergleich zu NH3 soll veranschaulichen, dass nur eine geringe Temperaturerhöhung von CO2, oder eines ähnlichen Hochdruckgases zu hohen Drücken führt. Es wird eine geringe Energiezufuhr benötigt, die zum wirtschaftlichen Antrieb von Gasmotoren führt.
  • 2:
    Darstellung des Verfahrens im Druck-Enthalpie-Diagramm zur Veranschaulichung des Verfahrens von zwei voneinander getrennten Kreisprozessen, wobei der linksläufige Kreisprozess eines Kühlkreislaufes (A-B-D-E) den rechtsläufigen Kreisprozess (G-H-K-L) kühlt und u.U. auch erwärmt. Im linksläufigen Kreisprozess kann ein anderes Kältemittel verwendet werden, als im rechtsläufigen Kreisprozess. Es wird darauf hingewiesen, dass die Figur lediglich zum Verständnis der Vorrichtung und des Verfahrens dient. Die exakte Lage der einzelnen Linien, bzw. der Betriebszustände können je nach den tatsächlich vorherrschenden Drücken, Temperaturen, Enthalpie etc. variieren und sind für das Verfahren deshalb nicht bindend. Wegen den Wirkungsgraden, den Reibungswiderständen, den Federkräften, den Öffnungsdifferenzdrücken der eingesetzten Ventile, den Druckverlusten in den verwendeten Komponenten, wie Wärmetauscher, Rohrleitungen etc. ändern sich die im Diagramm dargelegten Betriebszustände, sodass die hier verwendeten Begriffe isobar, isochor, isentrop etc. nicht exakt zutreffen, sondern nur als Orientierungshilfe dienen sollen. Wird z.B. der Begriff „bei gleichbleibender Enthalpie“ verwendet, kann sich dies nur auf eine adiabatische Zustandsänderung beziehen, wobei die Enthalpie in reellen Zuständen nicht zwingend gleichbleibend sein muss. sondern sich z.B. in Abhängigkeit der Entropie ändern kann. Gleiches gilt u.a. auch für die Druck-, Temperatur-, und Dichteangaben, die lediglich zum Verständnis dienen sollen und von den reellen Zuständen abweichen können.
  • Ein Gasverdichter (1), der zur Vermeidung der Verbrennung des Schmierstoffes bei hohen Verdichtungsendtemperaturen eventuell auch ohne Öl betrieben werden kann, saugt das überhitzte Gas vom Punkt (A) an und verdichtet es auf Punkt (B). Das heiße Gas mit der Enthalpie-Differenz-Strecke (B-C) wird für die isochore Erwärmung der CO2-Flüssigkeit (8) mit Enthalpie-Differenz (H-G) genutzt. Sollte die Enthalpie-Differenz (B-C) kleiner als die Enthalpie-Differenz (H-G) sein, bzw. die Verdichtungsendtemperatur (B) niedriger sein, als die benötigte Temperatur am Punkt (H), wird die Wärmeenergie der Wärmepumpe und/oder die Abgaswärmeenergie des Biogasmotors des Verdichters (1) genutzt, um dies auszugleichen.
  • Das Kältemittel wird vom Punkt (C) auf Punkt (D) von der Umgebungstemperatur der Vorrichtung gekühlt, verflüssigt und evtl. unterkühlt. Wird die Verdichtungswärme der Strecke (2) vom Punkt (B) bis ca. Punkt (C) nicht für die annähernd isochore Erwärmung der Flüssigkeit (8) genutzt, wird diese Wärmemenge ebenfalls an die Umgebungsluft abgegeben, d.h. das Kältemittel wird vom Punkt (B) bis Punkt (D) von der Umgebungsluft der Vorrichtung gekühlt, verflüssigt und evtl. unterkühlt. Wie bei einem konventionellen Kühlkreislauf liegt die Kondensationstemperatur, bzw. der Druck der Strecken (2) und (3) oberhalb der Umgebungstemperatur, um die Wärme entsprechend abführen zu können. Das eingesetzte Kältemittel im Kreislauf (A-B-D-E) kann vom Hochdruckgas des Kreislaufes (G-H-K-L) verschieden sein, sodass eine Verflüssigung im subkritischen Bereich möglich ist. Im Kreislauf (A-B-D-E) kann auch ein Hochdruckkältemittel, wie z.B. CO2, eingesetzt werden, dass jedoch im transkritischen Bereich gekühlt und u.U. nicht verflüssigt wird. In diesem Fall würde der Punkt (D) im transkritischen Bereich liegen (nicht dargestellt). Das Kältemittel wird vom Punkt (D) auf Punkt (E) entspannt, d.h. bei konstanter Enthalpie expandiert. Dieses expandierte Kältemittel nimmt in einem Wärmetauscher (5) die Energie des ebenfalls expandierten Hochdruckkältemittels (7) auf, um dieses vom Punkt (L) auf Punkt (G) zu kühlen und zu verflüssigen. Das vom Punkt (F) bis Punkt (A) überhitzte Kältemittel wird wieder vom Verdichter (1) angesaugt. Um die Verdichtungsendtemperatur (B) bis oberhalb der Temperatur am Punkt (H) oder wahlweise auch am Punkt (K) zu erhöhen, mit welcher das Flüssiggas auf der Strecke (8) isochor und gegebenenfalls isobar (9) erwärmt werden kann, kann die Länge der Strecke (6) mit z.B. einem zusätzlichen Wärmetauscher verlängert werden. Bei größerer Überhitzung wird Punkt (A) und folglich auch Punkt (B) nach rechts verschoben. Die hierfür benötigte Wärmemenge kann der Umgebungsluft, der restlichen Abwärme des Biogasmotors, oder einer anderen zur Verfügung stehenden Wärmequellen entzogen werden.
  • Der Kühlkreislauf (A-B-D-E) wird demnach primär für die Verflüssigung eines Hochdruckgases, wie z.B. R744, R744A o.ä., eingesetzt und wahlweise sekundär auch für die isochore Erwärmung des Flüssiggases (8), in Form einer Wärmerückgewinnung gemäß dem Prinzip einer Wärmepumpe verwendet.
  • Das verflüssigte CO2 am Punkt (G) wird in einen geschlossenen, ausdehnbaren Behälter (Ladezylinder) gepumpt, welcher vollständig mit der Flüssigkeit befüllt wird. Nach der Befüllung wird der Zulauf geschlossen, sodass die Flüssigkeit nicht rückwärts von Punkt (G) in Richtung (L) fließen kann. Der Flüssigkeitsbehälter (8) muss den Drücken am Punkt (H) standhalten können, sowie ggf. von Punkt (H) nach Punkt (K) ausdehnbar sein, was mit Hilfe von z.B. zwei sich ineinander verschiebbaren Zylindern mit angebrachten Zugfedern realisieren lassen könnte. Die CO2-Flüssigkeit im Behälter (8) lässt sich mit internen und/oder externen Wärmetauschern erhitzen, um die eingesperrte Flüssigkeit zunächst annähernd isochor (G-H) und anschließend annähernd isobar (H-K) erwärmen zu können.
  • Wie bereits zuvor erwähnt wird für die isochore Erwärmung der Flüssigkeit (8) mit Enthalpie-Differenz (H-G) das heiße Kältemittel mit Enthalpie-Differenz (B-C) genutzt, wobei die Verdichtungstemperatur (B) höher kann sollte als die Temperatur am Punkt (H), bzw. am Punkt (K). Sollte die Enthalpie-Differenz (B-C) kleiner als die Enthalpie-Differenz (K-G) sein, bzw. die Verdichtungsendtemperatur (B) niedriger sein, als die benötigte Temperatur am Punkt (H), wird die Wärmeenergie der Wärmepumpe und/oder die Abwärme des Biogasmotors genutzt, um dies auszugleichen.
  • Am Punkt (H) ist der gewünschte, einstellbare Druck erreicht. Wird mehr Energie zugeführt, dehnt sich der Behälter von Punkt (H) nach Punkt (K) aus. Alternativ kann (muss) ungewollter, überschüssiger Druck gemäß den gültigen, technischen Verordnungen über gegendruckunabhängige Sicherheitsventile auf Punkt (L), bzw. über gegendruckabhängige Sicherheitsventile in die Atmosphäre abgeblasen werden.
  • Wird die Flüssigkeit von Punkt (H) auf Punkt (K) annähernd entlang der Isobaren (zzgl. den Druckanstieg durch Reibungswiderstande und Federkräfte) erwärmt, dehnt sich der Behälter aus und die CO2-Flüssigkeit beginnt zu verdampfen, wobei das Volumen zunimmt. Die Länge der Strecke (9) ist variabel und muss je nach Antrieb empirisch ermittelt werden. Für die Erwärmung der Flüssigkeit von Punkt (H) auf Punkt (K) wird, wie unter 3 beschrieben u.a. die Wärmeenergie der Wärmepumpe genutzt. Das Flüssiggas wird annähernd adiabatisch auf die Oberflächen der Kolben, vom Punkt (K) auf den Punkt (L) übertragen.
  • 3:
    Darstellung des Verfahrens im Druck-Enthalpie-Diagramm wie unter 2 beschrieben, jedoch für den Wärmepumpenprozess, der für die Erwärmung des CO2-Kreislaufes zuständig ist, nicht jedoch für dessen Verflüssigung. Der linksläufige Kreisprozess eines Kühlkreislaufes (A'-B'-D'-E') erwärmt mit der Strecke (B'-C') den rechtsläufigen Kreisprozess (G-H-K). Im linksläufigen Kreisprozess kann ein anderes Kältemittel verwendet werden, als im rechtsläufigen Kreisprozess. Wie unter 2 beschrieben, wird darauf hingewiesen, dass die Figur lediglich zum Verständnis der Vorrichtung und des Verfahrens dient.
  • Ein Gasverdichter (1'), der zur Vermeidung der Verbrennung des Schmierstoffes bei hohen Verdichtungsendtemperaturen eventuell auch ohne Öl betrieben werden kann, saugt das überhitzte Gas vom Punkt (A') an und verdichtet es auf Punkt (B'). Das heiße Kältemittel mit der Enthalpie-Differenz-Strecke (B'-C') wird u.a. für die isochore Erwärmung der CO2-Flüssigkeit (8) mit Enthalpie-Differenz (H-G) und für die annähernd isobare Erwärmung vom Punkt (H) auf Punkt (K) genutzt.
  • Das Kältemittel wird vom Punkt (C') auf Punkt (D') von der Umgebungstemperatur der Vorrichtung gekühlt, verflüssigt und evtl. unterkühlt. Wird die Verdichtungswärme der Strecke (2) vom Punkt (B') bis ca. Punkt (C') nicht für die Erwärmung der Flüssigkeit (8 & 9) genutzt, wird diese Wärmemenge ebenfalls an die Umgebungsluft abgegeben, d.h. das Kältemittel wird vom Punkt (B') bis Punkt (D') von der Umgebungsluft der Vorrichtung gekühlt, verflüssigt und evtl. unterkühlt. Wie bei einem konventionellen Kühlkreislauf liegt die Kondensationstemperatur, bzw. der Druck der Strecken (2') und (3') oberhalb der Umgebungstemperatur, um die Wärme entsprechend abführen zu können. Das Kältemittel wird vom Punkt (D') auf Punkt (E') entspannt, d.h. bei konstanter Enthalpie expandiert. Dieses expandierte Kältemittel nimmt in einem Wärmetauscher (5') die Energie aus dem Erdreich, aus der Umgebungsluft, dem Wasser, oder einer anderen Energiequelle auf. Der Wärmepumpenkreislauf (A'-B'-D'-E') wird demnach primär für die Erwärmung des Hochdruckgases, wie z.B. R744, R744A o.ä., eingesetzt, indem die Energie an das zuvor verflüssigte CO2 in einen geschlossenen, ausdehnbaren Behälter (Ladezylinder) abgegeben wird.
  • 4:
    Darstellung des CO2-Kreislaufes gemäß (G-H-K-L, 2). Alternativ kann auch ein anderes Hochdruckgas eingesetzt werden. Das CO2 wird vom Kältekreislauf (8) im Verflüssiger (43) verflüssigt und im Sammler (45) angestaut und ggf. unterkühlt. Das flüssige, unterkühlte CO2 wird mit Hilfe der Ladepumpe (50) einem der zwei Ladezylinder (30a oder 30b, 6) zugeführt.
    Befüllung des Ladezylinders (30a): Die beiden Magnetventile (52a und 56a) werden zunächst geöffnet, um den Ladezylinder (30a) mit Hilfe der Ladepumpe (50) mit flüssigem CO2 zu befüllen und die vorhandene Wärmeenergie abzuführen. Danach wird das Magnetventil (52a) geschlossen. Die Ladepumpe (50) pumpt flüssiges CO2 über das Magnetventil (56a) in den Ladezylinder (30a). Die übrigen Magnetventile (53a und 54a) bleiben während des Ladevorganges geschlossen. Ist der Ladezylinder vollständig befüllt, schließt auch das Magnetventil (56a). Das CO2 wird nun wie unter 8 beschrieben, annähernd isochor und anschließend annähernd isobar erhitzt, wobei sich der Druck weiter erhöht und sich der Ladezylinder ausdehnt. Bei maximaler Ausdehnung des Ladezylinders (30a) wird das Magnetventil (54a) geöffnet. Das CO2 wird somit auf die Kolbenoberflächen des Gasmotors geleitet, wo es Antriebsarbeit verrichtet. Nach verrichteter Arbeit strömt das CO2 aus dem Gasmotor über das Expansionsventil (23) in den Verflüssiger (43). Ist der Ladezylinder (30a) annähernd entleert, schließt das Magnetventil (54a) und das Magnetventil (53a) wird geöffnet. Der restliche, sich im Ladezylinder (30a) befindliche CO2-Druck, wird über das Expansionsventil (57) in den Verflüssiger (43) entspannt.
    Befüllung des Ladezylinders (30b): Die beiden Magnetventile (52b und 56b) werden zunächst geöffnet, um den Ladezylinder (30b) mit Hilfe der Ladepumpe (50) mit flüssigem CO2 zu befüllen und die vorhandene Wärmeenergie abzuführen. Danach wird das Magnetventil (52b) geschlossen. Die Ladepumpe (50) pumpt flüssiges CO2 über das Magnetventil (56b) in den Ladezylinder (30b). Die übrigen Magnetventile (53b und 54b) bleiben während des Ladevorganges geschlossen. Ist der Ladezylinder vollständig befüllt, schließt auch das Magnetventil (56b). Das CO2 wird nun wie unter 8 beschrieben, annähernd isochor und anschließend annähernd isobar erhitzt, wobei sich der Druck weiter erhöht und sich der Ladezylinder ausdehnt. Bei maximaler Ausdehnung des Ladezylinders (30b) wird das Magnetventil (54b) geöffnet. Das CO2 wird somit auf die Kolbenoberflächen des Gasmotors geleitet, wo es Antriebsarbeit verrichtet. Nach verrichteter Arbeit strömt das CO2 aus dem Gasmotor über das Expansionsventil (23) in den Verflüssiger (43). Ist der Ladezylinder (30b) annähernd entleert, schließt das Magnetventil (54b) und das Magnetventil (53b) wird geöffnet. Der restliche, sich im Ladezylinder (30b) befindliche CO2-Druck, wird über das Expansionsventil (57) in den Verflüssiger (43) entspannt.
  • 5:
    Darstellung eines 4-Zylinder Gasmotors mit Kolben (18a bis 18d), die über die jeweiligen Pleuelstangen an der gemeinsamen Kurbelwelle (19) befestigt sind. Es können auch Kolbenmotoren mit mehr oder weniger Zylinder verwendet werden. Die Anzahl der Zylinder ist für das Verfahren nicht relevant oder bindend. Das CO2, oder ein anderes Hochdruckgas, wird über die Einlassventile (20a, 20b, 20c und 20d) zeitversetzt in die jeweiligen Zylinderköpfe (22a bis 22d) geleitet. Die Ansteuerung aller Einlass- und Auslassventile kann über eine konventionelle Nockenwelle, oder auch über eine andere mechanische, elektro-magnetische, hydraulische, oder pneumatische Ansteuerungsart erfolgen. Die wechselseitig zu öffnenden Magnetventile (54a & 54b) steuern den Zufluss von CO2 zu den Einlassventilen. Nach erfolgter Antriebsarbeit des jeweiligen Kolbens, wird das CO2 über das zugehörige Auslassventil (21a, 21b, 21c oder 21d) aus den Zylinderkopf (22a bis 22d) befördert und über das Expansionsventil (23) in den Verflüssiger geleitet.
  • 6:
    Wie 5. Darstellung der Einlass- (20a & 20b) und Auslassventile (21a & 21b), die wie in einem konventionellen Gasmotor von einer Nockenwelle angesteuert werden können.
  • 7:
    Darstellung von zwei ausdehnbaren Ladezylindern, bestehend aus je zwei Hälften (30a & 30a2) und (30b & 30b2), die sich jeweils übereinander-, bzw. ineinanderschieben lassen. Eine Abdichtung (34) verhindert das Austreten von Gas in die Atmosphäre. Alternativ kann auch eine Faltenbalgtechnik oder ähnlich verwendet werden. Das sich im jeweiligen Ladezylinder befindliche CO2 wird vom Punkt (G, 1) auf Punkt (K, 1) entlang der Strecken (8 & 9) erwärmt. Am wählbaren Punkt (H, 1) beginnt sich der Ladezylinder auszudehnen, bis der wählbare Punkt (K, 1) erreicht ist. Wird der Punkt (K, 1) erreicht, öffnet das Magnetventil (54a bzw. 54b), um das CO2 in den Gasmotor zu leiten. Zugfedern (31) halten die beiden Zylinderhälften (30a & 30a2) bzw. (30b & 30b2) zusammen. Beim Überschreiten von Punkt (H, 1) fangen die Federn (31) an sich bis Punkt (K, 1) auszudehnen. Der Ladezylinder (30a) befindet sich unterhalb oder am Punkt (H, 1) und der Ladezylinder (30b) befindet sich am Punkt (K, 1) mit den belasteten Zugfedern (31) und der ausgefahrenen Zylinderhälfte (30b2). Die jeweilige Funktion der übrigen Magnetventile wird in den nachfolgenden Figuren beschrieben. Die jeweiligen Magnetventile werden anderweitig beschrieben.
  • 8:
    Funktion der Ladezylinder (30a / 30b) wie unter 6 beschrieben. Diese Figur zeigt die Beheizungsmethoden der zwei Ladezylinder. Der Verdichter (42), der z.B. von einem Gasmotor (43a) angetrieben wird, komprimiert ein Kältemittel auf den Verflüssigungsdruck. Im Wärmetauscher (33) wird ein Teil der Wärmeenergie des Kältemittels an das CO2, das mit Hilfe der Umwälzpumpe (36a) mit optionalem Überströmventil wechselweise in den Ladezylinder (30a) oder den Ladezylinder (30b) geleitet wird, abgegeben. Wird im Wärmetauscher (33) keine oder weniger Wärmeenergie benötigt, öffnet das Magnetventil (39b) den Bypass zum Verflüssiger (44, 9). Das CO2 wird von der Pumpe (36a) über die geöffneten Magnetventile (51a/ 55a) oder (51b / 55b) umgewälzt, um das CO2 mit der Enthalpie-Differenz (B-C, 1) des Verdichters, vom Punkt (G, 1) auf Punkt (H und/oder K, 1), entlang der Strecken (8 & 9) zu erwärmen.
  • Der Verdichter (42) wird von einem Motor (43a) angetrieben. Die Energie der Abgase des Antriebsmotors (43a) wird im Wärmetauscher (43b) an das CO2 abgegeben. Wie zuvor beschrieben wird das CO2 von der Pumpe (36b) über die geöffneten Magnetventile (51a / 55a) oder (51b / 55b) umgewälzt.
  • 9:
    Darstellung des Kühlkreislaufes, bestehend aus einem Verdichter (42) mit Antriebsmotor (43a), Abgaswärmetauscher (43b), Heißgas-Wärmetauscher (33), Verflüssiger (44), optionalen Wärmetauscher als Überhitzer (48), Verdampfer (43), CO2-Sammler mit Unterkühlungsverdampfer (45), Wärmepumpenverdampfer (65), Expansionsventile (46b, 49b, 64), Verdampfungsdruckregler (66), sowie diverse Magnetventile (46a, 49a, 47a, 47b, 63 und 39b). Der Verdichter (40) saugt das verdampfte Kältemittel aus dem Verdampfer (43) ab und verdichtet es auf den Kondensationsdruck. Um die Verdichtungsendtemperatur (Punkt B, 2) zu erhöhen, kann der Überhitzungswärmetauscher (48) über die Magnetventile [47a (AUF) und 47b (ZU)] zugeschaltet werden, wodurch das bereits überhitzte Sauggas weitere Energie aus der Umgebungsluft aufnimmt. Die polytrope Verdichtung (Strecke 1, 2) wird im Druck-Enthalpie-Diagramm dadurch weiter nach rechts verschoben, um eine größere, nutzbare Enthalpie-Differenz (Strecke 2, 2) zu erhalten, die zur isochoren Erwärmung der CO2-Flüssigkeit im Wärmetauscher (33) genutzt werden kann. Die Zuschaltung des Überhitzers (48) erfolgt, falls eine höhere Verdichtungstemperatur benötigt wird. Die Verdichtungswärme wird über den Wärmetauscher (33) an das flüssige CO2 desjenigen Ladezylinders (30a bzw. 30b) abgegeben, welcher zu diesem Zeitpunkt beheizt wird, während sich der andere Ladezylinder (30a bzw. 30b) zeitgleich entlädt, oder Arbeit verrichtet. Die Beheizung der CO2-Flüssigkeit erfolgt über das Öffnen des zugehörigen Magnetventils (51a / 55a bzw. 51b / 55b, 4). Nach Abgabe der Wärmeenergie (Strecke 2, 2), wird das Kältemittel in den Verflüssiger (44) geleitet, wo die restliche Wärmemenge (Strecke 3, 2) an das Brauchwasser, und/oder an eine Heizungsanlage abgegeben wird und sich das Kältemittel dadurch verflüssigt und ggf. unterkühlt wird (Punkt D, 2). Das verflüssigte Kältemittel wird über das Magnetventil (49a) und das Expansionsventil (49b) in den Wärmetauscher (43) entspannt, wo es die Wärmemenge der CO2-Flüssigkeit aufnimmt, welche dadurch verflüssigt wird. Der Wärmetauscher (43) ist Verdampfer des Kältemittels und Verflüssiger des CO2. Im CO2-Sammler (45) befindet sich ein interner Wärmetauscher, um das angesammelte CO2 zu unterkühlen. Flüssiges Kältemittel wird hierfür über das Magnetventil (46a) und das Expansionsventil (46b) in den Wärmetauscher im Sammler (45) entspannt, wodurch Wärmeenergie vom flüssigen CO2 aufgenommen wird und dieses unterkühlt wird. Wird im Wärmetauscher (33) keine Energie mehr benötigt, öffnet das Magnetventil (39b) den Bypass zum Verflüssiger (44).
  • Der Wärmepumpenkreislauf mit Verdampfer (65), dient ausschließlich der Erwärmung vom CO2, gemäß 3. Der Verdichter (42) saugt das verdampfte Kältemittel aus dem Verdampfer (65) ab und verdichtet es auf den Kondensationsdruck. Der Verdampfer (65) kann die Wärmeenergie dem Erdreich, der Luft, dem Wasser oder anderen Wärmequellen entnehmen. Die Verdichtungswärme wird über den Wärmetauscher (33) an das flüssige CO2 desjenigen Ladezylinders (30a bzw. 30b) abgegeben, welcher zu diesem Zeitpunkt beheizt wird, während sich der andere Ladezylinder (30a bzw. 30b) zeitgleich entlädt, oder Arbeit verrichtet. Die Beheizung der CO2-Flüssigkeit erfolgt über das Öffnen des zugehörigen Magnetventils (51a/55a bzw. 51b/55b, 4). Nach Abgabe der Wärmeenergie (Strecke 21, 2), wird das Kältemittel in den Verflüssiger (44) geleitet, wo die restliche Wärmemenge (Strecke 22, 3) z.B. an das Brauchwasser eines Gebäudes abgegeben wird und sich das Kältemittel dadurch verflüssigt und ggf. unterkühlt wird (Punkt D', 3). Das verflüssigte Kältemittel wird über das Magnetventil (63) und das Expansionsventil (64) in den Verdampfer (65) entspannt, wo es die Wärmemenge aus der Umwelt aufnimmt.
  • 10:
    Darstellung der kompletten Verschaltung der oben beschriebenen Komponenten. Diese Figur soll lediglich zur Veranschaulichung der zuvor beschriebenen Vorrichtung dienen.

Claims (10)

  1. Verfahren als Blockheizkraftwerk mit regenerativer CO2-Zirkulation und Wärmepumpenprozess, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Druck-Enthalpie-Diagramm dargestellter, rechtsläufiger Kreisprozess eines Hochdruckgases mit einem linksläufigen Kreisprozess eines Kühlkreislaufes betrieben wird, indem der linksläufige Kühlkreislauf das rechtsläufige Hochdruckgas verflüssigt, das zum Antrieb eines Gasmotors oder einer Gasturbine verwendet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasverdichter von einem Verbrennungsmotor angetrieben wird und die Wärmeenergie der Abgase des Motors für die annähernd isochore Erwärmung eines Flüssiggases verwendet wird, das zum Antrieb eines Gasmotors, oder einer Gasturbine ohne weitere Verbrennungsvorgänge des Flüssiggases verwendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die adiabatische Zustandsänderung eines Flüssiggases, die Kolben eines Motors, oder eine Turbine ohne Verbrennungsvorgänge angetrieben werden, wobei das expandierte Flüssiggas nach verrichteter Arbeit in einem geschlossenen Kreislauf regenerativ wieder verflüssigt, erwärmt und auf hohen Druck gebracht wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Flüssiggas annähernd isobar erwärmt wird und entweder die Wärmeenergie einer Wärmepumpe oder die Verdichtungsenergie eines Gasverdichters, oder beide Energien, für die Erhöhung der Entropie eines Flüssiggases verwendet wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmepumpe verwendet wird, um einen Gasmotor oder eine Gasturbine mit einer regenerativen CO2-Zirkulation zu betreiben.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein regenerativer, im Druck-Enthalpie-Diagramm dargestellter, rechtsläufiger Kreisprozess eines Hochdruckgases ohne dessen Verbrennung, von einem linksläufigen Kreisprozess eines Kältemittels gekühlt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasmotor, oder eine Gasturbine von einem Hochdruckgas ohne Verbrennungsvorgänge betrieben wird, indem am Eintritt des Motors, oder der Turbine der Druck des Hochdruckgases im transkritischen, oder im subkritischen Bereich, und am Austritt des Motors der Druck des Hochdruckgases im subkritischen Bereich wirkt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gas zum Antrieb eines Gasmotors, oder eine Gasturbine zum Einsatz kommt, welches nicht verbraucht, sondern stetig in einem geschlossenen System zirkuliert wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmepumpe verwendet wird, um mit der gewonnenen Wärmeenergie die Entropie eines Flüssiggases zu erhöhen, die auf die Kolben eines Motors, oder auf eine Turbine übertragen wird, um diese anzutreiben.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein verflüssigtes Kältemittel unter weiterer Druck- und Temperaturerhöhung in einen höheren Entropiezustand desselben gebracht wird, um durch die anschließende Expansion des Kältemittels, ohne weitere Verbrennungsvorgänge einen Motor, oder eine Turbine anzutreiben.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE202019105510U1 (de) * 2019-10-07 2021-01-21 Sel Aktiv Gmbh Blockheizkühlkraftwerk
WO2021191786A1 (en) * 2020-03-24 2021-09-30 Energy Dome S.P.A. Plant and process for energy generation and storage
WO2024023103A1 (de) * 2022-07-29 2024-02-01 Gaertner Lutz Einrichtung zur bereitstellung thermischer energie an eine wärmesenke

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