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DE10361203A1 - Method for converting thermal energy into mechanical energy uses low-pressure expansion device to expand vaporous working medium whereby energy is returned to evaporator used to evaporate another working medium - Google Patents

Method for converting thermal energy into mechanical energy uses low-pressure expansion device to expand vaporous working medium whereby energy is returned to evaporator used to evaporate another working medium Download PDF

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DE10361203A1
DE10361203A1 DE2003161203 DE10361203A DE10361203A1 DE 10361203 A1 DE10361203 A1 DE 10361203A1 DE 2003161203 DE2003161203 DE 2003161203 DE 10361203 A DE10361203 A DE 10361203A DE 10361203 A1 DE10361203 A1 DE 10361203A1
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Abstract

The method involves using an expansion device (2) connected to an evaporator (6) whereby expansion is undertaken in a low pressure expansion device so that the energy contained in the expanded vaporised working medium can be recovered in the evaporator which can be used to vaporise additional working medium. A first component of the working medium formed by a mixture is absorbed in and/or after the low pressure expansion device by an absorption medium whereby heat changes to the remaining second vapour component which can be recovered. Independent claim describes apparatus for converting thermal energy to mechanical energy having an evaporator and a low pressure expansion device and absorption device.

Description

Die Verwendung von Rootsgebläsen als Niederdruck-Entspannungsmotor eröffnet insbesondere bei der Nutzung von Abwärme kleiner oder gleich 100°C zum Antrieb von Pumpen und Generatoren zum einen die Möglichkeit, den Prozess durch Einspritzung von Absorptionsmitteln zu unterstützen, zum anderen, wegen der geringen Druck- und damit Temperaturdifferenzen, die Kondensationsenergie des Treibmittels wieder auf ein erhöhtes Temperaturniveau anzuheben. Erfindungsgemäß wird als Treibmittel ein Lösemittelgemisch verwendet, das azeotrop siedet und von dem mindestens eine Komponente ein reversibel immobilisierbares Lösemittel ist, das sich durch physikalisch-chemische Veränderung, wie pH-Verschiebung, Molenbruch und Temperatur in seiner Flüchtigkeit und/oder in seinem Dampfdruck so verändert, dass es durch Ionisieren oder Komplexbildung aus der Dampfphase reversibel immobilisiert werden kann und deshalb in seiner immobilisierten Form als Absorbens verwendet wird.The Use of Roots blowers As a low-pressure expansion engine opens especially in the Use of waste heat less than or equal to 100 ° C for driving pumps and generators on the one hand the possibility to assist the process by injection of absorbents, to others, because of the low pressure and thus temperature differences, the condensation energy of the propellant back to an elevated temperature level to raise. According to the invention as Propellant a solvent mixture used which azeotropically boils and of the at least one component is a reversibly immobilizable solvent that is characterized by physicochemical change, such as pH shift, mole fraction and temperature in its volatility and / or in its vapor pressure changed so that it by ionizing or complex formation from the vapor phase are reversibly immobilized can and therefore used in its immobilized form as an absorbent becomes.

Verdampft man Lösemittelgemische, so stellt sich über der Flüssigkeit ein Partialdruckverhältnis ein, das dem Molverhältnis der Komponenten in der Flüssigphase entspricht. Verwendet man azeotrop verdampfende Lösungen, so lassen sich je nach Typ die Verdampfungstemperaturen absenken, so dass sie unter den Kondensationstemperaturen der einzelnen Komponenten liegen. Absorbiert man aus der Gasphase adiabat eine Komponente, so geht die der Entropieabnahme entsprechende Wärme auf die verbleibende Gasphase über. Der Entzug der Kondensationswärme des Treibmittels kann dadurch auf einem erhöhten Temperaturniveau erfolgen. Erfindungsgemäß erwärmt sich der Treibdampf damit trotz Entspannung, so dass er ohne weitere Transformation in dem Verdampfer des Treibmittelgemisches niedergeschlagen werden kann, sofern die Verdampfung durch Zumischen der absorbierten Komponente durch Remobilisierung am Azeotroppunkt gehalten wird.evaporated solvent mixtures, so turns over the liquid a partial pressure ratio, the molar ratio of the components in the liquid phase equivalent. If one uses azeotropic solutions, so you can lower the evaporation temperatures depending on the type so that they are below the condensation temperatures of the individual components lie. If one absorbs adiabatically a component from the gas phase, Thus, the Entropieabnahme the heat corresponding to the remaining gas phase. Of the Withdrawal of condensation heat the propellant can be done at an elevated temperature level. According to the invention heats up the driving steam so that despite relaxation, so he without further Transform deposited in the evaporator of the blowing agent mixture can, if the evaporation by admixing the absorbed Component is held by remobilization at the azeotrope.

Während der Verdichtung wird in den Entspannungsraum ein Absorptionsmittel eingespritzt und/oder der Entspannung nachgeschaltet wird Lösemittel in einem mit Absorptionsmittel betriebenen Wäscher niedergeschlagen.During the Compression is injected into the relaxation room, an absorbent and / or the relaxation is followed by solvent in one with absorbent operated scrubbers dejected.

Als Absorptionsmittel wird ein reversibel immobilisierbares Lösemittel verwendet, das in der nicht-immobilisierten Form als Treibdampfkomponente enthalten ist. Durch z. B. Ionisieren des Absorbens, vorteilhaft durch Elektrolyse des Lösemittels oder zugesetzter Elektrolyte, werden die das Absorbens durchströmenden Dämpfe ebenfalls ionisiert, so dass sich der Dampfdruck so absenkt, dass sich der Dampf der reversibel immobilisierbaren Komponente im als Absorbens genutzten Lösemittel niederschlägt.When Absorbent becomes a reversibly immobilizable solvent used in the non-immobilized form as a motive steam component is included. By z. B. ionizing the absorbent, advantageous by electrolysis of the solvent or added electrolytes, the vapors flowing through the absorbent are also ionized, so that the vapor pressure lowers so that the Steam of the reversibly immobilisable component in as an absorbent used solvents reflected.

Das Molverhältnis des Gemisches wird erfindungsgemäß so gewählt, dass der Druck in der Entspannung durch die Reduzierung der Anzahl der in der Gasphase verbleibenden Moleküle stärker abnimmt, als er durch die Erwärmung des Restgases zunimmt.The molar ratio of the mixture is chosen according to the invention such that the pressure in the relaxation by reducing the number of in the gas phase remaining molecules decreases more than it passes through the warming of the residual gas increases.

In der beigefügten Abbildung wird die Energiegewinnung mit Rückführung der Kondensationswärmein an einem Rootsgebläse schematisch dargestellt. In einem Verdampfer (1) wird ein Lösemittelgemisch mit einer reversibel immobilisierbaren Lösemittelkomponente als Arbeitsmittel des Kreisprozesses am Wärmeaustauscher verdampft. Der entstehende Treibdampf wird über das Rootsgebläse (2) entspannt, wobei an der Welle des Gebläses Energie gewonnen wird, die in Verbindung mit einem Generator (3) zur Stromgewinnung genutzt wird.In the attached figure, the energy recovery with the return of Kondensationswärmein is shown schematically on a Roots blower. In an evaporator ( 1 ) a solvent mixture is evaporated with a reversibly immobilizable solvent component as a working medium of the cycle at the heat exchanger. The resulting motive steam is passed through the Roots blower ( 2 ), whereby energy is generated at the shaft of the fan, which in combination with a generator ( 3 ) is used for power generation.

Der Entspannung nachgeschaltet ist ein Wäscher (4) mit der Komponente als Betriebsflüssigkeit, die als ionisierte Lösemittelphase im Arbeitsmittel benutzt wird.The relaxation downstream is a scrubber ( 4 ) with the component as operating fluid, which is used as ionized solvent phase in the working fluid.

Die Ionisierung wird durch eine Elektrolysevorrichtung (8) konstant gehalten.The ionization is carried out by an electrolysis device ( 8th ) kept constant.

Das Betriebsmittel wird im Teilstrom mit der Förderpumpe (6) als Kondensationsmittel in den Förderraum der Entspannungsmaschine eingespritzt.The equipment is used in partial flow with the feed pump ( 6 ) is injected as condensing agent into the delivery chamber of the expansion machine.

Nach der Absorption der reversibel immobilisierbaren Phase wird der restliche Treibdampf in den Verdampfer zurückgeführt und am Wärmetauscher (5) niedergeschlagen und sodann als Kondensat mittels einer Förderpumpe (7) in den Verdampfungsraum (1) zurückgefördertAfter the absorption of the reversibly immobilisable phase, the remaining motive steam is returned to the evaporator and at the heat exchanger ( 5 ) and then as condensate by means of a feed pump ( 7 ) in the evaporation chamber ( 1 )

Über die Förderpumpe (6) wird die im Wäscher (4) absorbierte Phase in den Verdampfer (1) zurückgefördert, wo sie durch elektrochemische Behandlung (9) wieder in den nicht ionischen Zustand überführt wird und somit als Gemisch mit der im Kondensator (5) kondensierten Phase wieder verdampft.About the pump ( 6 ) in the scrubber ( 4 ) absorbed phase into the evaporator ( 1 ), where by electrochemical treatment ( 9 ) is converted back into the non-ionic state and thus as a mixture with the in the capacitor ( 5 ) condensed phase evaporated again.

Claims (29)

Verfahren zur Gewinnung mechanischer Energie durch Entspannung eines azeotropen Gasgemisches als Arbeitsmittel mit integrierter extraktiver Rektifikation in einem extern verdichtendem Fördersystem.Process for obtaining mechanical energy by relaxing an azeotropic gas mixture as a working medium with integrated extractive rectification in an externally compacting Conveyor system. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel durch Wärmeaustausch mit Primärenergie aus Prozessdämpfen oder erwärmten Prozessflüssigkeiten und/oder Wärmespeichern verdampft wird.Method according to claim 1, characterized in that that the working fluid through heat exchange with primary energy from process vapors or heated process fluids and / or heat storage is evaporated. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel so ausgewählt wird, dass es eine geringe volumenspezifische Verdampfungsenthalpie aufweist.Method according to claim 1, characterized in that that the work equipment is selected it will be that it has a low volume specific enthalpy of vaporization having. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmittel organische oder anorganische Lösemittel genutzt werden.Method according to claim 1, characterized in that that as a working medium organic or inorganic solvents be used. Verfahren nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmittel Gemische aus organischen und/oder anorganischen Lösemitteln, wobei mindestens eine Komponente ein protisches Lösemittel ist, genutzt werden.Method according to claims 1 and 4, characterized that as a working medium mixtures of organic and / or inorganic Solvents, wherein at least one component is a protic solvent, can be used. Verfahren nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass Lösemittelgemische als Azeotropmischungen eingesetzt werden.Method according to Claims 1 and 5, characterized that solvent mixtures be used as azeotrope mixtures. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel hinsichtlich Siedetemperatur und Dampfdruckkurve auf die Temperaturniveaus und die Wärmemengen der antreibenden Wärme abgestimmt ist.Method according to claim 5, characterized in that that the working fluid in terms of boiling temperature and vapor pressure curve tuned to the temperature levels and the amounts of heat of the driving heat is. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brüdenentspannung in einem Roots-Gebläse erfolgt.Method and device according to claim 1, characterized characterized in that the vapor relaxation in a Roots blower he follows. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gebläse mir einer Einspritzung im Schöpfraum versehen ist.Method and device according to claim 8, characterized characterized in that the blower me an injection in the scoop room is provided. Verfahren nach Anspruch 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Brüden durch Einspritzen einer Flüssigkeit absorbiert wird.Method according to claims 1 and 9, characterized that the vapors by injecting a liquid is absorbed. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Flüssigkeit Absorptionslösungen oder protische Lösemittel verwendet werdenMethod according to claim 10, characterized in that that as a liquid absorption solutions or protic solvents be used Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gebläse mit einer gasdichten Dichtung zwischen Schöpfraum und Getrieberaum abgedichtet ist.Method and device according to claims 8 and 9, characterized in that the blower with a gas-tight seal between the scoop and Gear compartment is sealed. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gebläse mit mehrflügeligen Rotoren ausgerüstet ist.Method and device according to claims 8 and 9, characterized in that the fan with multi-leaf Equipped rotors is. Verfahren nach Anspruch 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Entspannung des Brüden am Gebläse gewonnene Energie als mechanischer Antrieb genutzt wird.Method according to claims 1 and 8, characterized that the energy gained during the relaxation of the vapor at the blower as a mechanical Drive is used. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Entspannung gewonnene Energie mit Hilfe eines Generators zur Stromgewinnung genutzt wird.Method and device according to claim 1, 8 and 9, characterized in that the recovered during the relaxation Energy with the help of a generator is used to generate electricity. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfung in einem Verdampfer erfolgt.Method and device according to claim 2, characterized characterized in that the evaporation takes place in an evaporator. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Entspannung ein Gaswäscher nachgeschaltet ist.Method and device according to claim 1, characterized characterized in that the relaxation is followed by a gas scrubber. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gaswäscher das Absorbens elektrochemisch behandelt wird.Method and device according to claim 18, characterized characterized in that in the gas scrubber Absorbent is treated electrochemically. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 und 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel von dem Absorptionsmittel getrennt wird.Method and device according to claims 1 and 18, characterized in that the working fluid of the absorbent is disconnected. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennung mittels eines Membransystems erfolgt.Method and device according to claim 20, characterized characterized in that the separation takes place by means of a membrane system. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennung durch Verdampfen der absorbierten Komponente erfolgt.Method and device according to claim 20, characterized characterized in that the separation by evaporation of the absorbed Component takes place. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der entspannte Brüden in einem Kondensator kondensiert wird.Method and device according to claim 1, characterized characterized in that the relaxed vapor condenses in a condenser becomes. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 und 23, dadurch gekennzeichnet, dass das verflüssigte Lösungsmittel mit einer Förderpumpe zurück in den Verdampfer gefördert wird.Method and device according to claims 1 and 23, characterized in that the liquefied solvent with a feed pump back conveyed into the evaporator becomes. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensationsenergie durch Wärmetausch abgeführt wird.Method according to claim 23, characterized that the condensation energy is dissipated by heat exchange. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensation durch Wärmetausch mit einer externen Kühleinrichtung herbeigeführt wird.Method according to claim 23, characterized that condensation through heat exchange with an external cooling device brought becomes. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine druckgesteuerte Einspritzung zur Verhinderung von Flüssigkeitsschlägen verwendet wird.Method and device according to claim 10, characterized characterized in that a pressure-controlled injection to prevent used by liquid shocks becomes. Verfahren nach Anspruch 5 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass für die Einspritzung ein Adsorbens verwendet wird, mit dem das azeotrope Gemisch aufgetrennt wird.Method according to claims 5 and 10, characterized that for the injection is used an adsorbent with which the azeotropic Mixture is separated. Verfahren nach Anspruch 10 und 28, dadurch gekennzeichnet, dass die im Absorbens aufgenommene Komponente ihre Kondensationswärme auf die weiterhin dampfförmige Komponente überträgt.Method according to claims 10 and 28, characterized that absorbed in the absorbent component on their heat of condensation the still vaporous Component transmits. Verfahren nach Anspruch 10 und 29, dadurch gekennzeichnet, dass eine ausreichend kleine Temperaturdifferenz eingestellt wird, so dass eine direkte Rückgewinnung der Kondensationswärme im Arbeitsmittelverdampfer ohne zusätzliche Wärmetransformation möglich wird.A method according to claim 10 and 29, characterized in that a sufficiently small temperature difference is set, so that a direct Recovery of the heat of condensation in the working medium evaporator without additional heat transformation is possible.
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