DE19804845A1

DE19804845A1 - Direct conversion process to convert thermal energy into mechanical energy

Info

Publication number: DE19804845A1
Application number: DE1998104845
Authority: DE
Inventors: Werner Prof Dr Ing Malewski
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-01-30
Filing date: 1998-01-30
Publication date: 1999-08-05
Anticipated expiration: 2018-01-31
Also published as: DE19804845C2

Abstract

The conversion process uses a mixture of several components as the working medium. This mixture has the property of retrograde condensation under certain pressure and temperature conditions. The process starts in the highest pressure region, where retrograde condensation begins. Expansion under working load follows in an expander (3) to a pressure at which more than 30% of the condensate is precipitated. The phases at different concentrations are then separated in a separator (4), taken back individually to initial pressure by heat input and mixed with each other again in a container (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur direkten Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie ohne Wärmeabgabe an die Umgebung.The invention relates to a method for the direct conversion of thermal energy into mechanical energy without releasing heat to the environment.

Bei den bisher bekannten Methoden zur Gewinnung von mechanischer Energie mit Ein- oder Mehrkomponenten-Arbeitsmitteln wird eine teilweise oder vollständige Kondensation des Arbeitsmittels durch eine Wärmeabgabe an die Umgebung erreicht und der sich dabei je nach Arbeitsmittel einstellende Druck als Gegendruck für eine Expansionsmaschine benutzt, mit der bei der Gas- oder Dampf-Entspannung von höherem Druck auf diesen Gegendruck mechanische Energie gewonnen wird.In the previously known methods for obtaining mechanical energy with input or Multi-component work equipment is a partial or complete condensation of the Work equipment is achieved by giving off heat to the environment, and this varies depending on Working pressure setting pressure used as counter pressure for an expansion machine with which during gas or steam expansion from higher pressure to this counter pressure mechanical energy is obtained.

Bekannt sind Wärmekraftprozesse mit Gemischen, um zur Verbesserung des Wirkungsgrades gegenüber Einkomponentensystemen zu kommen, so aus den Patentschriften DE 1 55 744 mit mehrmaliger Expansion und Kompression, aus der US-Patentschrift US 4 242 870 zur besseren Nutzung der Heizquelle sowie aus der US-Patentschrift US 4 553 397 zur isen thalpen Kompression.Thermal power processes with mixtures are known in order to improve the efficiency to come with one-component systems, so from the patents DE 1 55 744 repeated expansion and compression, from US Pat. No. 4,242,870 better use of the heat source and from US Pat. No. 4,553,397 for isen thalpen compression.

Es ist weiterhin bekannt, daß binäre Gemische dann ein besonderes Verhalten zeigen, wenn der System-Gesamtdruck über dem kritischen Druck einer der Komponenten liegt. Dieses Verhalten ist dadurch gekennzeichnet, daß bei konstanter Temperatur durch Druckabsenkung ein zunächst zunehmender Kondensatausfall einsetzt, der sich jedoch bei weiterer Druck absenkung wieder zurückbildet, um bei noch geringeren Drücken ganz zu verschwinden, also in die Gasphase zurückfällt. Dieser Vorgang ist thermodynamisch von Karl Stephan und Franz Mayinger im 2. Band des Buches "Thermodynamik, Grundlagen und technische Anwen dungen; Mehrstoffsysteme und chemische Reaktionen" 13. Auflage, Springer-Verlag Berlin, 1992, auf den Seiten 71-75 näher beschrieben und wird als retrograde Kondensation bezeichnet. It is also known that binary mixtures show special behavior when the total system pressure is above the critical pressure of one of the components. This Behavior is characterized in that at constant temperature by lowering the pressure an initially increasing condensate failure sets in, but this increases with further pressure lowering again to disappear completely at even lower pressures, so falls back into the gas phase. This process is thermodynamic by Karl Stephan and Franz Mayinger in the second volume of the book "Thermodynamics, basics and technical applications fertilize; Multi-substance systems and chemical reactions "13th edition, Springer-Verlag Berlin, 1992, described on pages 71-75 and is called retrograde condensation designated.

Unter Zuhilfenahme dieser Erscheinung liegen außerdem Vorschläge vor, den Wirkungsgrad des Wärmekraftprozesses zu verbessern, so in der Patentschrift DE 42 44 016 über ver zögerte Kondensatbildung sowie in einer deutschen Patentanmeldung der Firma Dökowa (aus DE 196 08 300 1994/95), die die Nutzung der unterschiedlichen Polytropenexponenten zum Ziele hat, wobei Wärme nach außen abzugeben ist.With the help of this phenomenon, there are also proposals for efficiency to improve the thermal power process, so in the patent DE 42 44 016 ver hesitated condensation as well as in a German patent application by Dökowa (from DE 196 08 300 1994/95), which aims to use the different polytropic exponents, whereby heat is to be given off to the outside.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Wärmeabgabe nach außen ganz zu vermeiden und eine direkte Umwandlung thermischer Energie in mechanische Arbeit zu erreichen.The present invention is based on the object, the heat emission to the outside to avoid entirely and a direct conversion of thermal energy into mechanical work to reach.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Prozeßablauf gewählt wird, der im Bereich der retrograden Kondensation bei konstanter Temperatur abläuft, und mit Gemischen als Arbeitsmittel arbeitet, die diesen Effekt zeigen. Dies können zum Beispiel die Stoffpaare Butan-Stickstoff bei etwa 70°C und um 150 bar oder Kohlendioxid-Stickstoff bei etwa 0°C und um 100 bar sein, aber auch weitere Systeme sind denkbar. Der Prozeß startet im Bereich des höchstmöglichen Druckes, bei dem retrograde Kondensation einsetzt. Aus dem p, x-Diagramm für konstante Temperatur ist damit auch die Gemischkonzentration festgelegt. Es folgt eine Entspannung in einem Expander unter Arbeitsleistung auf einen Druck, bei dem ein Kondensatanfall von mehr als etwa 30% erreicht wird. Dann werden die Phasen unterschiedlicher Konzentrationen in einem Abscheider getrennt, einzeln auf den Ausgangs druck zurückgefördert und dort wieder in einem Behälter miteinander gemischt. Durch gleichzeitige Wärmezufuhr wird der Ausgangsdruck wieder erreicht.This object is achieved in that a process flow is selected that in the area of retrograde condensation at constant temperature, and with Mixtures works as tools that show this effect. For example, the Pairs of butane-nitrogen at about 70 ° C and around 150 bar or carbon dioxide-nitrogen at around 0 ° C and around 100 bar, but other systems are also conceivable. The process starts in the range of the highest possible pressure at which retrograde condensation starts. From the The p, x diagram for constant temperature also defines the mixture concentration. There follows a relaxation in an expander under work at a pressure at which a condensate accumulation of more than about 30% is achieved. Then the phases different concentrations separated in a separator, individually on the output pressure returned and mixed there again in a container. By at the same time the supply of heat is reached again.

Es erfolgt keine Wärmeabfuhr nach außen und die für die Wirksamkeit des Prozesses größenmäßig entscheidende Verdichtungsarbeit für die Dampfphase, die die Arbeits gewinnung bei der Expansion schmälert, ist wesentlich durch die Kondensatabtrennung reduziert. Dagegen fällt die Pumpenarbeit für die flüssige Phase weniger ins Gewicht. Es wird je nach Stoffpaarung und Prozeßdatenfestlegung optimale Werte für die Auswahl von Gegendruck und Konzentration geben. Der Expander hat einen ständig wachsenden Kondensatanfall zu verarbeiten. There is no heat dissipation to the outside and that is necessary for the effectiveness of the process size-critical compression work for the vapor phase that the work extraction during the expansion is essential due to the condensate separation reduced. In contrast, the pump work for the liquid phase is less important. It will Depending on the material combination and process data specification, optimal values for the selection of Give back pressure and concentration. The expander has a constantly growing one Process condensate.

Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Prozeßfließbildes nachstehend erläutert:The invention is described below with reference to the process flow diagram shown in the drawing explains:

Der Behälter 1 ist mit einem geeigneten Gemisch zweier Stoffe bestimmter Konzentration gefüllt und der Dampfphasenstutzen über die Rohrleitung 2 mit dem Expander 3 verbunden. Bei der Entspannung auf den Druck des Abscheiders 4 kann an der Welle 5 des Expanders Arbeit geleistet werden, die an einen angekoppelten Kompressor 6 und einen Generator 7 weitergegeben wird. Der Ausgang des Expanders ist über die Rohrleitung 8 mit dem Abscheider 4 verbunden, in dem das angefallene Kondensat von der Dampfphase getrennt wird. Der Dampfraum des Abscheiders ist mit dem Kompressor 6 über die Rohrleitung 9 verbunden. Nach der Verdichtung der Dampfphase auf den Druck von Behälter 1 wird der verdichtete Dampf über die Rohrleitung 10 in die flüssige Phase des Gemisches in Behälter 1 geleitet. Das im Abscheider getrennte Kondensat wird über Rohrleitung 11 der Pumpe 12 zugeführt, die es über die Rohrleitung 13 in den Behälter 1 zurückfördert. Während der Mischung der Phasen im Behälter 1 wird über die Wärmezufuhreinrichtung 14 thermische Energie in das System geleitet, wodurch der Ausgangsdruck wieder erreicht wird.The container 1 is filled with a suitable mixture of two substances of a certain concentration and the vapor phase connector is connected to the expander 3 via the pipeline 2 . When relaxing to the pressure of the separator 4, work can be done on the shaft 5 of the expander, which is passed on to a coupled compressor 6 and a generator 7 . The outlet of the expander is connected to the separator 4 via the pipeline 8 , in which the condensate obtained is separated from the vapor phase. The vapor space of the separator is connected to the compressor 6 via the pipeline 9 . After the vapor phase has been compressed to the pressure of container 1 , the compressed vapor is passed via pipeline 10 into the liquid phase of the mixture in container 1 . The condensate separated in the separator is fed via pipe 11 to the pump 12 , which pumps it back into the container 1 via the pipe 13 . During the mixing of the phases in the container 1 , thermal energy is conducted into the system via the heat supply device 14 , as a result of which the outlet pressure is reached again.

Claims

Cyclic process for the direct conversion of thermal energy into mechanical energy without heat dissipation, which uses a mixture of several components as the working medium, which shows a retrograde condensation under certain pressure and temperature conditions, characterized in that

1. an expansion in the field of retrograde condensation takes place under work, a separation of the phases after the expansion is carried out and the vapor phase is recirculated via compression and the liquid phase is carried out by pumping to the initial pressure, thermal energy being supplied in the course of the backmixing.
2. the process runs at constant temperature, whereby the output pressure and mixing ratios are fixed depending on the selected mixture.
3. the back pressure is chosen so that a condensate accumulation of more than 30% occurs
4. Expansion machines based on the screw and / or spiral principle can be used, which can process liquids.