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DE10361223A1 - 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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DE10361223A1 DE2003161223 DE10361223A DE10361223A1 DE 10361223 A1 DE10361223 A1 DE 10361223A1 DE 2003161223 DE2003161223 DE 2003161223 DE 10361223 A DE10361223 A DE 10361223A DE 10361223 A1 DE10361223 A1 DE 10361223A1
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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

Rootsgebläse werden insbesondere als Niederdruck-Entspannungsmotor bei der Nutzung von Abwärme kleiner oder gleich 100°C zum Antrieb von Pumpen und Generatoren genutzt.Become Roots blower especially as a low-pressure expansion engine when using waste heat smaller or equal to 100 ° C used to drive pumps and generators.

Zur Verbesserung der Wirkleistung besteht die Möglichkeit, den Prozess durch Einspritzung von Kondensationsmitteln zu unterstützen. Verwendet man zur Einspritzung Absorptionsmittel, die bei Verwendung von Treibmittelgemischen eine der Komponenten absorbieren, so vermindert sich im Verhältnis zur Druckdifferenz die Temperaturdifferenz der entspannten Dämpfe und die Kondensationsenergie des Treibmittels wird auf einem erhöhten Temperaturniveau gehalten, um somit energieeffiziente Kreisprozesse zu realisieren.to Improving the active power is the opportunity to go through the process To support injection of condensing agents. Used for injection Absorbent, the use of propellant mixtures a absorb the components, so diminished in relation to Pressure difference the temperature difference of the relaxed vapors and the condensation energy of the propellant is at an elevated temperature level held in order to realize energy-efficient cycle processes.

Bei herkömmlichen thermischen Entspannungsprozessen, bei denen kondensierbare Gase, d. h. in der Regel Brüden, durch nachgeschaltete Kondensation gefördert werden, müssen bei den heute üblichen Aggregaten, wie Turbinen, hohe Druckdifferenzen von über 15 bis 200 bar erzeugt werden. Die Brüden dürfen keinen Kondensattropfen enthalten. Rootsgebläse werden als Brüdenverdichter eingesetzt und können bei geeigneter Ausführung mit einer Flüssigkeitseinspritzung betrieben werden. Als Entspannungsmotoren arbeiten sie schon mit einer Druckdifferenz von 500 mbar mit vollem Wirkungsgrad und können im geschlossenen System bei Drücken von 20–0,5 bar abs. eingesetzt werden.at usual thermal expansion processes involving condensable gases, d. H. usually vapors, be promoted by downstream condensation, at the usual today Aggregates, such as turbines, high pressure differences of over 15 to 200 bar are generated. The vapors allowed to do not contain any condensate drops. Roots blowers are called vapor compressors used and can in a suitable design with a liquid injection operate. They already work as relaxation engines a pressure difference of 500 mbar with full efficiency and can in closed system when pressed from 20 to 0.5 bar abs. be used.

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 Verdampfungstemperaturen der einzelnen Komponenten liegen. Absorbiert man aus der Gasphase adiabat eine Komponente, so geht die entsprechende Wärme auf die verbleibende Gasphase über. Der Entzug der Kondensationswärme des Treibmittels kann nach der Entspannung dadurch auf einem erhöhten Temperaturniveau erfolgen.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 evaporation temperatures of the individual components lie. If one absorbs adiabatically a component from the gas phase, so goes the corresponding heat on the remaining gas phase over. The withdrawal of condensation heat the propellant may relax at an elevated temperature level after relaxation respectively.

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 werden erfindungsgemäß Öle verwendet, aus denen sich das Lösemittel vollständig wieder austreiben lässt, oder z. B. über ein Membransystem abtrennen lässt.When Absorbents according to the invention oils are used, which make up the solvent completely again lets drift out, or z. B. over Disconnect membrane system.

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 Brüdenentspannung in einem Rootsgebläse nach dem erfindungsgemäßen Verfahren schematisch dargestellt. In einem Verdampfer (1) wird ein Lösemittelgemisch als Arbeitsmittel des Kreisprozesses durch Wärmeaustausch 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 vapor relaxation in a Roots blower according to the inventive method is shown schematically. In an evaporator ( 1 ) a solvent mixture is evaporated as a working medium of the cycle by heat exchange. 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 einem Absorbens als Betriebsflüssigkeit, an dem sich eine Komponente des Treibmittelgemisch niederschlägt. Das Betriebsmittel wird im Teilstrom mit der Förderpumpe (6) als Absorptionsmittel in den Förderraum der Entspannungsmaschine (2) eingespritzt, während das Lösemittel über eine Membransystem (7) vom Absorbens getrennt und in den Verdampfer (1) wieder zurückgefördert wird.The relaxation downstream is a scrubber ( 4 ) with an absorbent as the operating fluid, at which a component of the blowing agent mixture is precipitated. The equipment is used in partial flow with the feed pump ( 6 ) as an absorbent in the delivery chamber of the expansion machine ( 2 ), while the solvent is injected through a membrane system ( 7 ) separated from the absorbent and into the evaporator ( 1 ) is conveyed back again.

Nach der Absorption einer Phase wird der restliche Treibdampf in einem nachgeschalteten Kondensator (5) am Wärmetauscher niedergeschlagen und mit der Förderpumpe (8) wieder zum Verdampfer (1) zurückgefördert.After absorption of one phase, the remaining motive steam in a downstream condenser ( 5 ) deposited on the heat exchanger and with the feed pump ( 8th ) back to the evaporator ( 1 ).

Claims (31)

Verfahren zur Gewinnung mechanischer Energie durch Entspannung eines kondensierbaren Arbeitsmittels in einem Rootsgebläse.Process for obtaining mechanical energy by relaxing a condensable working fluid in one Roots blower. 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 genutzt werden.Method according to claims 1 and 4, characterized that as a working medium mixtures of organic and / or inorganic Used solvents become. Verfahren nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass Lösemittelgemische als Azeotropmischungen eingesetzt werden.The method of claim 1 and 5, characterized ge indicates that solvent mixtures are 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 extern verdichtenden Gebläse erfolgt.Method and device according to claim 1, characterized characterized in that the vapor relaxation takes place in an externally compressing blower. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Brüdenentspannung in einem Roots-Gebläse erfolgt.Method and device according to claims 1 and 8, characterized in that the vapor relaxation takes place in a Roots blower. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gebläse mit einer Einspritzung im Schöpfraum versehen ist.Method and device according to claims 8 and 9, characterized in that the blower with an injection in the suction chamber is provided. Verfahren nach Anspruch 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Komponente des Brüdens durch Einspritzen einer Flüssigkeit absorbiert wird.Method according to claims 1 and 9, characterized that a component of the vapor by injecting a liquid is absorbed. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Flüssigkeit Absorptionslösungen verwendet werdenMethod according to claim 11, characterized in that that as a liquid absorption solutions be used Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gebläse mit einer gasdichten Dichtung zwischen Schöpfraum und Getrieberaum abgedichtet ist.Method and device according to claim 9, characterized characterized in that the blower sealed with a gas-tight seal between pump chamber and gear compartment is. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gebläse mit mehrflügeligen Rotoren ausgerüstet ist.Method and device according to claim 9, characterized characterized in that the blower with multi-leaf Equipped rotors is. Verfahren nach Anspruch 1, 8 und 9 dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Entspannung des Brüden am Gebläse gewonnene Energie als mechanischer Antrieb genutzt wird.Method according to claims 1, 8 and 9, 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 des Arbeitsmittels in einem vorgeschalteten Verdampfer erfolgt.Method and device according to claim 2, characterized characterized in that the evaporation of the working fluid in one upstream evaporator takes place. 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 1 und 18, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gaswäscher ein Absorbens eine Komponente des Brüdens absorbiert.Method and device according to claims 1 and 18, characterized in that in the gas scrubber, an absorbent component of the vapor absorbed. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 und 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel von dem Absorptionsmittel getrennt wird.Method and device according to claims 1 and 19, 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 18, dadurch gekennzeichnet, dass das verflüssigte Lösungsmittel mit einer Förderpumpe zurück in den Verdampfer gefördert wird.Method and device according to claims 1 and 18, characterized in that the liquefied solvent with a feed pump back conveyed into the evaporator becomes. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensationsenergie durch Wärmetausch abgeführt wird.Method and device according to claim 23, characterized characterized in that the condensation energy by heat exchange dissipated becomes. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensation durch Wärmetausch mit einer externen Kühleinrichtung herbeigeführt wird.Method and device according to claim 23, characterized characterized in that the condensation by heat exchange with an external cooling device brought becomes. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine druckgesteuerte Einspritzung zur Verhinderung von Flüssigkeitsschlägen verwendet wird.Method and device according to claim 11, characterized characterized in that a pressure-controlled injection to prevent used by liquid shocks becomes. Verfahren nach Anspruch 6 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass für die Einspritzung ein Adsorbens verwendet wird, mit dem das azeotrope Gemisch aufgetrennt wird.Method according to claims 6 and 11, characterized that for the injection is used an adsorbent with which the azeotropic Mixture is separated. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die im Absorbens aufgenommene Komponente ihre Kondensationswärme auf die weiterhin dampfförmige Komponente überträgt.Method according to claim 23, characterized that absorbed in the absorbent component on their heat of condensation the still vaporous Component transmits. Verfahren nach Anspruch 17 und 23, dadurch gekennzeichnet, dass eine ausreichend kleine Temperaturdifferenz eingestellt wird, so dass eine Rückgewinnung der Kondensationswärme durch Wärmezufuhr möglich wird.Method according to claims 17 and 23, characterized that a sufficiently small temperature difference is set, allowing a recovery the condensation heat by heat possible becomes. Verfahren nach Anspruch 17, 23 und 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der weiterhin gasförmigen Komponente so weit angehoben wird, dass eine Rückgewinnung der Kondensationswärme für die Verdampfung ohne weitere Wärmetransformation möglich wird.A method according to claim 17, 23 and 29, characterized in that the temperature of the further gaseous component is raised so that a recovery of the heat of condensation for the evaporation without further heat transformation becomes possible.
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