DE19739856C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Wärmeenergiegewinnung aus einem gasförmigen Medium mittels eines Wärmeaustauschers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wärmeenergiegewinnung aus einem gasförmigen Medium mittels eines Wärmeaustauschers.

Es ist bekannt, zur Wärmeübertragung zwischen strömenden Fluiden Wärmeaustauscher vorzusehen (Wark, Kenneth: Advanced Thermodynamics for Engineers, McGraw-Hill, Inc. 1995, S. 121). In dieser Druckschrift wird auch beschrieben, daß es bei Gasen unter gewissen Bedingungen durch gedrosselte Entspannung zu einer Temperaturerhöhung kommen kann. In "Dietzel, Technische Wärmelehre, Vogel Buchverlag, 6. A., S. 64" ist ferner dargelegt, daß bei adiabater (isentroper) Verdichtung eines Gases dessen Temperatur steigt.

Es ist auch bekannt, durch thermische Energieerzeuger gasförmige Stoffe zu erhitzen, deren Wärmeinhalt dann über Wärmeaustauscher abgeführt wird. Der Nachteil derartiger Energieerzeugungsanlagen besteht darin, daß an sich unerwünschte Emissionen erzeugt werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu dessen Durchführung aufzuzeigen, mittels derer eine Wärmeenergiegewinnung aus einem gasförmigen Medium mittels eines Wärmeaustauschers möglich ist, ohne daß am Ort der Wärmeenergieerzeugung Emissionen frei werden.

Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe bezüglich des Verfahrens durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und bezüglich der Vorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 4. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Nach der Erfindung wird unter Einwirkung von Druck und Reibung die kinetische und potentielle Energie der einzelnen Teilchen des gasförmigen Stoffs in Wärmeenergie umgewandelt. Die Wärmeenergiegewinnung erfolgt hierbei aus einem verdichteten gasförmigen Stoff mittels Verschiebungsarbeit in einem Druckkraftwerk.

Die Erfindung wird nachstehend am Beispiel des in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 die Vorrichtung in einer schematischen Seitenansicht,

Fig. 2 den Gasdruckreaktor der Vorrichtung nach Fig. 1 in einer vergrößerten Seitenansicht,

Fig. 3 den Gasdruckreaktor nach Fig. 2 in einer Draufsicht im Schnitt A-B.

Die Vorrichtung 43 besteht aus einem Druckbehälter 1 mit einer Wärmeschutzummantelung 2, in dem ein Gasdruckreaktor 15 mit Einrichtungen zur Gasteilchenreibung und zwei Druckübersetzer 5 und ein Wärmeaustauscher 8 angeordnet sind (Fig. 1). Der Druckbehälter 1 ist in eine obere, eine mittlere und eine untere Sektion unterteilt, die mittels Flanschen 11 miteinander verbunden sind. Der in Fig. 1 lediglich angedeutete Gasdruck­ reaktor 15 ist in Fig. 2 und 3. vergrößert dargestellt. Der Gasdruckreaktor 15 ist zwischen den Druckstempeln 10 der Druckübersetzer 5 angeordnet und in der Laufbuchse 7 zwischen einer oberen und unteren Stellung vertikal verschieblich gelagert. Die Druckstempel 10 der Druckübersetzer 5 sind in jeweils einer Stempelführung 26 an dem Düsenkörper 9 des Gas­ druckreaktors 15 gelagert. Die Verschiebungsarbeit übernimmt die von einem Elektromotor 21 getriebene Hydraulik-Verstellpumpe 20, so daß über das Fluid in der Arbeitsleitung 17 und das Fluid in den Fluidspeichern 4, die durch die Anschlüsse 3 und 25 miteinander ver­ bunden sind, die Druckstempel 10 der Druckübersetzer 5 synchron in zueinander entgegen­ gesetzter Richtung bewegt werden.

Die sternförmig angeordneten und gelagerten Träger 34 (Fig. 3) der Gegendruckbuchse 33 tragen das Reaktorgestell 45, das endabschnittseitig jeweils einen Flansch 29 aufweist, der mit dem Druckkolben 41 in einer Passung mittels Verschraubungen 42 verbunden ist. In jedem Druckkolben 41 ist jeweils mindestens ein Rückschlagventil 30 angeordnet und ein Düsenkörper 9 in einer Passung gelagert und mittels Verschraubungen 28 befestigt. In jedem Düsenkörper 9 befinden sich Düsenbohrungen 27, die in ein Düsenrohr 31 münden, das ausgangsseitig durch eine Bohrung in dem Druckkolben 41 geführt ist und in eine Kugel­ wirbelkammer 39 des jeweiligen Gegendruckkolbens 35 hineinragt. An jedem Druckkolben 41 liegt ein Gegendruckkolben 35 unter dem Druck einer Druckfeder 32 an. Statt der Druck­ feder 32 kann auch z. B. ein Gaspuffer eingesetzt werden. Die Druckfeder 32 oder der Gas­ puffer ist in der Gegendruckbuchse 33 gegen die Kolbendruckflächen 36 zwischen den zwei Gegendruckkolben 35 angeordnet. Die Gegendruckbuchse 33, in der die Gegendruckkolben 35 verschieblich gelagert sind, kann eine Kugelkäfig- oder Gleitbuchse sein.

In dem Druckbehälter 1 ist zwischen der Wandung des Druckbehälters 1 und der Lauf­ buchse 7 ein Wärmeaustauscher 8 vorgesehen, der mit der Wärmeübertragungsfläche der Laufbuchse 7 abschließt, die mit der Wärme des strömenden gasförmigen Stoffs 44 im Ring­ kanal 38 beaufschlagbar ist, so daß der Wärmestrom das in dem Wärmeaustauscher 8 z. B. hindurchströmende Wasser in hochgespannten Dampf umwandelt. Der Wärmeaustauscher 8 kann statt von Wasser auch von einem Gas durchströmt werden, das erwärmt werden soll. Die Befüllung des Gasraums 16 sowie des Gasdruckreaktors 15 mit dem gasförmigen Stoff 44 erfolgt über ein Gasfüllventil 6. Durch dieses Gasfüllventil 6 tritt der gasförmige Stoff 44 in den Gasraum 16 ein und strömt durch den Gasdruckreaktor 15. Der Druckbehälter 1 weist außerdem ein Sicherheitsventil 6a auf, durch das bei einem eventuellen Überdruck Gas 44 entweichen kann. Dem Gegendruck der Druckfeder 32 oder des Gaspuffers entsprechend wird der Gasraum 16 und der Gasdruckreaktor 15 mit dem gasförmigen Stoff 44 befüllt. Als gasförmiger Stoff 44 wird vorzugsweise Kohlendioxyd (CO₂) verwendet. Zum Füllen und Entlüften der Arbeitsleitung 17 und der Fluidspeicher 4 dient ein Füll- und Entlüftungsventil 3a, außerdem ist an dem Anschluß 25 der Arbeitsleitung 17 ein Ablaßventil 25a und in der Wandung des Druckbehälters 1 ein Ablaßventil 24 vorgesehen.

In dem Druckbehälter 1 ist der verdichtete gasförmige Stoff 44 in einem volumenkonstanten Gasraum 16 eingeschlossen. Die in dem volumenkonstanten Gasraum 16 des Druckbe­ hälters 1 eingeschlossenen Gasteilchen durchströmen, mittels Hubkraft der Druckübersetzer 5, in Wirkverbindung mit der Hydraulik-Verstellpumpe 20 und dem Elektromotor 21 gegen die Kraft der Druckfeder 32 oder eines Gaspuffers den Gasdruckreaktor 15. Bei Hubumkehr wiederholt sich der gleiche Vorgang. Die Hubkraft, die benötigt wird, um die Reibung gegen die Kraft der Druckfeder 32 oder des Gaspuffers zu überwinden, kommt durch den Impulsübertrag auf die einzelnen Gasteilchen zustande, was sich in einer Erhöhung der Temperatur auswirkt.

Eine keramische Schutzschicht sorgt dafür, daß das Heißgas dem Gasdruckreaktor 15 nicht zusetzt. Diese Schutzschicht haftet auf der Legierung und schützt das Metall so vor den Extremtemperaturen.

Beim Durchströmen der Düsenbohrung 27, des Düsenrohrs 31, der Kugelwirbelkammer 39 und der Gegendruckflächen 40 wirkt auf die Teilchen des gasförmigen Stoffs 44 der größtmögliche Reibungswiderstand ein. Die Reibung bewirkt eine Strömungsverzögerung, so daß die wandnahe Gasschicht beinahe haftet, an der sich die benachbarten, strömenden einzelnen Gasteilchen den Widerstand ihrer relativen Bewegung untereinander entgegen­ setzen. Unter Einwirkung von Druck und Reibung ist Wärme die kinetische und potentielle Energie der einzelnen Teilchen des gasförmigen Stoffs 44, dessen Wärmemenge zur Nutzung einem Wärmeaustauscher 8 zugeführt wird, wobei der durch den Wärmeaus­ tauscher 8 strömende Arbeitsstoff wie z. B. Wasser die Wärmemenge abführt. Als Arbeitsstoffe kommen aber auch Gase wie z. B. Luft, Helium oder Stickstoff in Frage.

Bei diesem Verfahren zur Wärmeenergiegewinnung ergibt sich ein Wirkungsgrad, für den sein theoretisch größtmöglicher Wert von der beim Prozeß auftretenden Temperatur des Gases 44 im Druckbehälter 1 und der Temperatur der Umgebung abhängt. Um den hohen Wirkungsgrad der Vorrichtung 43 für die Nutzung zu erhalten, ist für den Druckbehälter 1 eine Wärmeschutzummantelung 2 vorgesehen.

Die im Gasdruckreaktor 15 mittels Reibung erzeugte Wärme gelangt über den Wärmeaustauscher 8 als hochgespannter Dampf durch den Austritt 13 zum Sekundärkreis. Dort wird der Wärmeinhalt des Dampfes in geeigneter Form genutzt. Nach der Energienutzung kondensiert der Dampf wieder zu Wasser, das dann zur erneuten Aufheizung über den Eintritt 22 durch den Fluidkühler 19 über die Strömungsleitung 18 in den Wärmeaustauscher 8 gepumpt wird. Die Vorrichtung 43 kann auf einer Bauplattform 23 erstellt werden. Der Druckbehälter 1 des Druckkraftwerks 43 wird auf der Bauplattform 23 von mindestens einem Stützblech 14 gestützt, das mittels Halterungen 12 mit dem Druckbehälter 1 verbunden ist (Fig. 1).

Vorrichtungen 43, mit denen Wärmeenergie ohne Emissionen gewonnen wird, können dezentralisiert betrieben werden und somit auf ein großes Energieverteilernetz verzichten, so daß Energieverluste und Energietransportkosten weitestgehend entfallen. Von Vorteil ist auch, daß die Vorrichtung 43 kein Gebäude benötigt und für den Wärmebedarf die günstigste Kapazität gewählt werden kann. Die Vorrichtung 43 wird in Sektionen zum Bestimmungsort transportiert und kann dort einfach montiert schnell in Betrieb gehen.

Claims (11)

1. Verfahren zur Wärmegewinnung aus einem gasförmigen Medium mittels eines Wärmeaustauschers, dadurch gekennzeichnet, daß das gasförmige Medium in einem volumenkonstanten Raum eingeschlossen ist und mittels Verschiebungsarbeit, die durch den Impulsübertrag auf die einzelnen Teilchen des gasförmigen Mediums zustande kommt, einen Gasdruckreaktor durchströmt und hierbei verdichtet wird und sich durch Reibung der Gasmoleküle aneinander erwärmt, wobei durch Reibung eine Strömungsverzögerung bewirkt wird, so daß die wandnahe Gasschicht beinahe haftet, an der sich die benachbarten strömenden einzelnden Gas­ teilchen dem Widerstand ihrer relativen Bewegung untereinander entgegen setzen und dann das gasförmige Medium gegen die Kraft einer Druckfeder oder eines Gaspuffers beim Ausströmen aus dem Gasdruckreaktor weiter erwärmt und dann einem Wärmeaustauscher zugeführt wird, über den die kinetische und potentielle Energie des gasförmigen Mediums in Form von Wärme auf ein weiteres Medium übertragen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Wärmeaus­ tauscher die Wärmeübertragung auf einen Wasser- oder Gaskreislauf erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasraum des Druckbehälters und der Gasdruckreaktor der Gegenkraft der Druckfeder oder des Gaspuffers entsprechend mit Gas, vorzugsweise mit Kohlendioxyd (CO₂) gefüllt ist und zur Überwindung des Reibungswiderstandes, die Kraft einer Hydraulik-Verstellpumpe in Wirkverbindung mit einem Elektromotor gegen die Kraft der Druckfeder oder des Gaspuffers wirkt.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Druckbehälter (1), in dem ein Gasdruckreaktor (15) angeordnet ist, der mittels beidseitig angeordneter Druckstempel (10) in dem Druckbehälter (1) verschieblich gelagert ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder freie Endabschnitt der Druckstempel (10) in einer Stempelführung (26) gelagert ist, die mit jeweils einem Düsenkörper (9) verbunden ist, die an dem Gasdruckreaktor (15) angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasdruckreaktor (15) in einer Laufbuchse (7) der Vorrichtung (43) axial verschieblich angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasdruckreaktor (15) aus einem oberen und unteren Druckkolben (41) besteht, zwischen dem jeweils ein Gegendruckkolben (35) angeordnet ist, zwischen denen eine Druckfeder (32) bzw. ein Gaspuffer angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Düsenkörper (9) Düsenbohrungen (27) angeordnet sind, die mit einem Düsenrohr (31) verbunden sind, das in eine Kugelwirbelkammer (39) ragt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kugelwirbelkammer (39) in einem Gegendruckkolben (35) angeordnet ist, die mittels einer Druckfeder (32) oder eines Gaspuffers voneinander distanzierbar sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Gegendruckkolben (35) unter Druckbeaufschlagung von der Kolbenseite auf der jeweiligen Aufgabefläche des Druckkolbens (41) distanzierbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Druck­ kolben (41) jeweils mindestens ein Rückschlagventil (30) angeordnet ist.