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WO2004005676A1 - Wärmetechnisches kraftwerk - Google Patents

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Publication number
WO2004005676A1
WO2004005676A1 PCT/EP2003/007110 EP0307110W WO2004005676A1 WO 2004005676 A1 WO2004005676 A1 WO 2004005676A1 EP 0307110 W EP0307110 W EP 0307110W WO 2004005676 A1 WO2004005676 A1 WO 2004005676A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
heat
medium
power plant
heat exchanger
thermal power
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2003/007110
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Karl Wohllaib
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE2002129956 external-priority patent/DE10229956A1/de
Priority claimed from DE2002150244 external-priority patent/DE10250244A1/de
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to AU2003257432A priority Critical patent/AU2003257432A1/en
Priority to DE10392741A priority patent/DE10392741B3/de
Publication of WO2004005676A1 publication Critical patent/WO2004005676A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01KSTEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/14Combined heat and power generation [CHP]

Definitions

  • the invention relates to a thermal power plant, in which a temperature difference between a heat source and a heat sink is used.
  • Thermal power plants that use the solar thermal energy are known for example as solar tower power plants or parabolic trough power plants. Sunlight is collected via a receiver and passed on as heat to generate steam.
  • the invention is therefore based on the object of proposing a thermal power plant which does not require pumps for the medium circuit and can also deliver energy at night.
  • the object is achieved by a thermal power plant according to claim 1.
  • an inner closed circuit which circuit has at least two heat exchangers connected to form a circuit, through which a medium can circulate, which in particular can absorb thermal energy, the
  • Heat exchangers can each be cooled or heated from the inside, so that they can either work as evaporators or condensers for the medium circulating therein, whereby the heat source and the heat sink can each be assigned to either a first heat exchanger or a second heat exchanger, whereby the caused by the heat source and the heat sink temperature difference of the heat exchanger, a transport from the medium from one heat exchanger to another.
  • the invention proposes to design a thermal power plant in such a way that the heated medium with its entrained energy is transported to the colder heat exchanger by the transport from the warmer heat exchanger.
  • the medium can be easily evaporated and condensed at the temperatures present at the heat exchangers through the heat sink and the heat source, the medium in particular a fluorochlorocarbon, or an ammonia and / or Mixture containing methylene chloride.
  • the medium is a substance or a mixture of substances that evaporates at approx. 30 - 100 ° C.
  • a check valve for interrupting the connection of the heat exchangers is advantageously provided. As a result, the cooling and heating can take place while preventing the circulation of the medium.
  • At least one energy converter in particular one, is preferably in the connection between the heat exchangers Turbine or a lifting cylinder, interposed, which is driven by the circulating mass transport of the medium in the circuit.
  • solar energy collected at the heat source for example, can be used not only in the form of heat, but also in parallel as work by means of the proposed power plant.
  • the gaseous medium in the turbine is advantageously expanded at least approximately isentropically.
  • the turbine is advantageously connected to a device that implements mechanical work, in particular a power generator, an air conditioning system or a heat pump.
  • the turbine advantageously converts the energy supplied to the medium in the form of thermal energy into mechanically usable work.
  • a wide variety of power machines can be driven by means of this turbine.
  • a preferred development of the invention provides that at least one gas balloon or lifting cylinder is connected to the circuit, in particular on the heat exchangers. It is advantageously provided that the reciprocating pistons can be mechanically connected to hydraulic pistons which drive a hydraulic motor or the like.
  • a solar collector in particular with vacuum tube collectors (“heat pipe”) or as an expandable balloon, is preferably provided as the heat source.
  • An oil or gas burner, a geothermal energy store or a fuel cell is also advantageous as the heat source.
  • the heat sink is preferably formed by a heat store, in particular by a water tank.
  • a circuit control is advantageously provided which controls the connection of the heat sink or the heat source to the respective cooling or heating heat exchanger and the cyclic circulation of the medium in the circuit by means of valves.
  • the circuit control is preferably set up in such a way that the medium is supplied to the condenser, ie the cooling heat exchanger, until a pressure equilibrium or a defined pressure ratio between the first heat exchanger and the second heat exchanger is reached.
  • An advantageous embodiment of the invention provides that the circuit control is set up in such a way that the residual energy in the heat exchanger is transported to an energy store with the smaller amount of medium.
  • An advantageous embodiment of the invention provides that the circuit control is set up in such a way that the heat exchanger that currently contains a larger amount of the medium than the amount of the medium in the other heat exchanger is connected (heated) as an evaporator.
  • the circuit control is advantageously set up in such a way that the heat exchanger with the smaller currently contained amount of medium is cooled when no medium is transported from one heat exchanger to the other.
  • Cooling in the polytropic heat exchanger is advantageous.
  • the supply of heat in the polytropic heat exchanger is also advantageous.
  • a further development of the invention provides that several heat sources such as solar collectors, geothermal heat sources, fuel cells and gas and / or oil burners are provided.
  • a plurality of circuits with heat exchangers and turbine / s and / or lifting cylinders are advantageously provided, which contain different media for different temperature levels.
  • Gas balloons filled with liquid to be evaporated are advantageously introduced in the heat exchangers. This saves components. When heated, the balloon expands due to the increasing internal pressure and thereby enlarges its surface.
  • a preferred embodiment of the invention provides that the heat exchangers are connected to form a circuit.
  • An advantageous development of the invention provides that an easily evaporable and condensable medium circulates between the respective evaporator and the respective condenser, preferably cyclically.
  • the power plant can thus be operated in two directions.
  • a preferred embodiment of the invention provides that a defined amount of a medium for heat transport is provided in the circuit, which is located between the respective lige evaporator and the respective condenser, preferably cyclically, circulates. This optimizes the efficiency of the system. No unused medium has to be heated. As a result, even small temperature differences can be exploited.
  • the evaporator now has a medium available that can be condensed in the condenser.
  • An advantageous development of the invention provides that the evaporator is designed as a solar collector.
  • the balloon expands due to the increasing internal pressure, thereby increasing its active surface.
  • An advantageous development of the invention provides that a heat storage device is assigned to the condenser.
  • the unused energy is temporarily stored in the heat storage.
  • a preferred embodiment of the invention provides that the evaporator, the heat source, for. B. a solar collector or other heat source such as a 01 or gas burner or the waste heat of a fuel cell is assigned as an energy source.
  • a preferred embodiment of the invention provides that at least one turbine is provided between the evaporator and the condenser.
  • a preferred embodiment of the invention provides that the medium in the turbine is expanded at least approximately isentropically, as a result of which work can be performed by the turbine.
  • a preferred embodiment of the invention provides that the medium with its residual energy is fed to the condenser after it has passed through the turbine.
  • a preferred embodiment of the invention provides that the medium is supplied to the condenser until a pressure equilibrium or a defined pressure ratio between evaporator and condenser is reached.
  • a preferred embodiment of the invention provides that the connection is interrupted when a pressure equilibrium or a defined pressure ratio between the evaporator and the condenser is reached.
  • a preferred embodiment of the invention provides that the residual energy in the heat exchanger is transported to an energy store with the smaller amount of substance in the medium.
  • a preferred embodiment of the invention provides that the medium shifts from the evaporator to the condenser during operation of the power plant.
  • a preferred embodiment of the invention provides that the condenser is connected to the heat source as soon as a certain part of the medium has been transported from the evaporator to the condenser.
  • a preferred embodiment of the invention provides that that heat exchanger is always connected as an evaporator that contains a certain amount of the medium that is larger than that in the other heat exchanger.
  • a preferred embodiment of the invention provides that the medium is cooled in the condenser and that the medium is heated in the evaporator.
  • a preferred embodiment of the invention provides that the cooling takes place polytropically in the condenser.
  • a preferred embodiment of the invention provides that the heat is supplied polytropically in the evaporator.
  • a preferred embodiment of the invention provides that several heat sources such as solar collectors, geothermal heat sources, fuel cells and gas and / or oil burners are provided.
  • the operation of the power plant is independent of a heat source.
  • the operating time increases.
  • a preferred embodiment of the invention provides that a work cycle is provided.
  • a preferred embodiment of the invention provides that the heat exchanger with the smaller amount of substance is cooled when no medium is transported from one heat exchanger to the other.
  • a preferred embodiment of the invention provides that energy usable for the process is transported through the amount of substance between the heat exchangers.
  • a preferred embodiment of the invention provides that a plurality of heat exchangers and heat exchanger combinations working in parallel are provided.
  • a preferred embodiment of the invention provides that the power plant is provided for the self-sufficient energy supply of buildings.
  • An advantageous development of the invention provides that a defined amount of a medium is introduced in the circuit between the evaporator and the condenser.
  • An advantageous development of the invention provides that the first heat exchanger operates as an evaporator as long as there is still evaporable medium.
  • the first heat exchanger has no further medium available.
  • the second heat exchanger of the heat source, eg. B. is assigned to the solar collector and the first heat exchanger is assigned to the energy store.
  • An advantageous development of the invention provides that as soon as the solar collector is no longer able to supply sufficient thermal energy, the process is reversed and heat is withdrawn from the energy store and either released to the environment via the solar collector or fed to a further heat store.
  • the power plant can still deliver energy when solar energy is no longer available. This is particularly the case at night.
  • the thermal energy radiated in during the day is used particularly well.
  • An advantageous development of the invention provides that the process reversal, in particular when using a further heat storage device, is carried out as long as the temperature level is sufficient to evaporate the medium.
  • An advantageous development of the invention provides that at least one turbine is provided between the evaporator and the condenser.
  • An advantageous development of the invention provides that the turbine is assigned a generator for electrical energy.
  • An advantageous development of the invention provides that a plurality of heat exchanger-turbine-heat exchanger arrangements are provided which contain different media for different temperature levels.
  • the energy fed into the system can be used even better, the power plant always working with a higher degree of efficiency.
  • An advantageous development of the invention provides that a device is provided which is able to extract thermal energy from the power plant, in particular from the heat store. With this e.g. Domestic water can be heated.
  • the heat is temporarily stored in long-term heat stores after use in the thermal power plant. It is advantageously provided that one or more lifting cylinders or gas balloons are attached to the heat exchanger (working as an evaporator or condenser). The stroke cylinders are flanged to the "upper" area of the evaporator in order to introduce mainly "wet, saturated or superheated steam" from the heat exchanger into the reciprocating piston.
  • the lifting cylinders or gas balloons absorb steam from the heat exchanger and carry out a mechanical movement.
  • the working medium provided for heat and mass transport is cyclically present in the evaporator when it is being heated; a small amount of working medium is present in the condenser at the same time.
  • lifting cylinders When heated, lifting cylinders work against a force (spring) corresponding to the pressure force generated during the process, which is directed against the expansion of the lifting cylinder.
  • Mechanical units or hydraulic cylinders which drive a hydraulic motor can be coupled to the lifting cylinders.
  • the expanded medium coming from the evaporator extends one or more lifting cylinders flanged to the condenser. It is advantageously provided that gas balloons filled with heat to be evaporated and liquid to be evaporated are introduced.
  • the reciprocating pistons and can be mechanically connected to hydraulic pistons which drive a hydraulic motor or the like.
  • the heat is used again to generate electricity when it is transported back from the geothermal storage to the house.
  • Fig. 1 is a schematic block diagram of a thermal power plant according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic plan of a thermal power plant according to the invention, in the form of a solar thermal power plant.
  • solar energy is used in the form of heat with temperatures of approx. 20 to 200 degrees Celsius in one day / night cycle and in several internal cycles, i.e. from one heat exchanger to another releasing energy in the turbines.
  • thermal energy in the above temperature range can be used for this power plant.
  • the thermal power plant 100 in which a temperature difference between a heat source 1 and a heat sink (6) is used, has an internal closed circuit (formed by elements 2, 21, 5, 22 and 13).
  • the circuit has two heat exchangers 2 and 5 connected to form a circuit, through which a medium 3 can circulate which can absorb thermal energy.
  • the heat exchangers 2 and 5 can each be cooled or heated from the inside, and filled lines 31 are provided for transferring the thermal energy in the heat exchangers with a transfer medium.
  • the heat exchangers 2 and 5 can work either for the medium 3 circulating therein as an evaporator or as a condenser, the heat source 1 and the heat sink 6 each being able to be assigned to either a first heat exchanger 2 or a second heat exchanger 5, with the heat source providing the heat exchanger 1 and the heat sink 6 caused temperature difference of the respective heat exchangers 2, 5, a transport of the medium 3 from the warmer heat exchanger to the colder takes place.
  • the check valves 50, 51 serve to interrupt the connection of the heat exchanger. This also deactivates the turbines 4 and 13 which are built into the connection 21, 22 between the heat exchangers 2, 5 as energy converters and which are coupled to a power generator 14 via the mechanical coupling 141.
  • the gaseous medium 3 is expanded isotropically in the turbines.
  • a lifting cylinder 15, 17 is assigned to each heat accumulator.
  • the reciprocating pistons can be mechanically connected to hydraulic pistons, not shown in the figure, which have a hydraulic motor or the like etc. drive to generate energy.
  • gas balloons are also possible, which further increase the available expansion volume for the medium.
  • the heat sink 6 is formed by a heat accumulator 6a in the form of a large water tank.
  • An advantageous development of the invention provides that a device is provided which is able to extract thermal energy from the power plant, in particular from the heat store. This can be done by removing heated domestic water from the water tank.
  • the sequence of the openings of the valves 50, 51, 60, 61, 70, 71, 80, 90, 91 controls a circuit control 101, which by means of the connection of the heat sink 6 or the heat source 1 to the respective cooling or heating heat exchanger 2 or 5 and controls the circulation of the medium 3 in the circuit 2, 21, 5, 22, 13.
  • the circuit controller 101 is connected to temperature and pressure sensors 102, which measure the current temperature of the medium 3 and the pressure in the respective heat exchangers 2, 5.
  • the circuit control 101 is set up in such a way that the medium 3 is supplied to the condenser, ie the cooling heat exchanger, until a pressure equilibrium or a defined pressure ratio between the first heat exchanger 2 and the second heat exchanger 5 is reached.
  • the residual energy in the heat exchanger with the smaller amount of medium 3 - in the example heat exchanger 2 - is transported to an energy store 6 (heat sink).
  • a configuration of the circuit control 101 provides that that heat exchanger 2 or 5 is always connected (heated) as an evaporator which currently contains a larger amount of the medium 3 than that amount of the medium 3 in the other heat exchanger.
  • the heat exchanger 2 or 5 with the smaller currently contained amount of medium 3 is cooled by interconnection with the heat sink when no medium 3 is transported from one heat exchanger 2, 5 to the other.
  • the heat exchanger cools down polytropically.
  • the heat supply in the heat exchanger is polytropic.
  • circuits with heat exchangers and turbine / s and / or lifting cylinders can be provided, which contain different media for different temperature levels.
  • the heat source 1 is designed as a solar collector, which is able to absorb solar heat during the daytime and, in the illustrated state, just - since it soon becomes too empty - feeds it to a heat exchanger 2 which is able to heat (evaporate) a medium 3.
  • Heat sources can also be long-term heat stores.
  • a mixture of H 2 0 and NH 3 is often used.
  • Alcohols including higher-quality butane, fluorine-chlorohydrocarbons (CFCs), or mixtures of methylene chloride are also possible here.
  • the medium 3, which is preferably approximately isochorically heated, in particular thereby evaporated, by the supplied thermal energy is fed via a turbine 4 to a heat exchanger 5 operating as a condenser.
  • the turbine 4 is able to deliver the energy supplied to it by the approximately isentropic relaxation of the medium 3 in the form of work.
  • the medium 3 heated by the supplied thermal energy in the heat exchanger 2 is also expanded into a lifting cylinder 15 by increasing the pressure in the heat exchanger 2.
  • gas balloons 16 can be provided in the heat exchangers 2 and 5, which are filled with a liquid speed or a gas are filled, which has a lower boiling point than the medium 3.
  • the expansion of the gas balloons 16 with the easily evaporating medium can support the expansion into the lifting cylinder 15.
  • the lifting cylinder 15 can do work.
  • a counterforce also acts on the lifting cylinders 15 and 17, which counteracts the lifting movement and returns it when the pressure is equalized.
  • this counterforce causes the lifting cylinder 15 to move back.
  • the medium in the gas balloons 16 can condense.
  • a finite amount of the medium 3 is present in the heat exchanger 2.
  • the heat exchanger 5, which now contains the larger amount of the medium 3, is heated, so in the following it works as
  • the connecting lines 7 and 8 between the solar collector 1 and the heat exchanger 2 are interrupted by valves 70 and 71 at the latest as soon as the entire medium 3 has evaporated in the heat exchanger 2 operating as an evaporator. Instead, connecting lines 9 and 10 between the solar collector 1 and the heat exchanger 5 are released by valves 80 and 81.
  • connection between the heat exchanger 5 and the heat accumulator 6 (lines 11 and 12) is interrupted by valves 90 and 91. Instead, a connection between the heat accumulator 6 and the heat exchanger 2 is released by means of valves 60 and 61.
  • the heat exchanger 2 now works as a condenser, whereas the heat exchanger 5 and as an evaporator, which is assigned to the solar collector 1.
  • the medium 3 is now transported from the heat exchanger 6 to the heat exchanger 2.
  • the heating of the heat exchanger 5 now causes an increase in the pressure in the heat exchanger 5 and an expansion of the optionally available lifting cylinder 17. This is supported by the evaporation and expansion of the medium in the gas balloons 16.
  • the lifting cylinder 17 in turn can work during the deflection do.
  • the energy taken from the heat exchanger 2 is fed to a heat accumulator 6, which can be designed as a hot water boiler.
  • connection between the heat exchangers 2 and 5 is again established via a turbine, as a result of which heated medium 3 flows from the heat exchanger 5 to the heat exchanger 2, doing work in the turbine.
  • the process repeats itself over and over again.
  • the respective heat exchanger to be cooled is always connected to the heat accumulator 6 and the heat exchanger to be heated is connected to the solar collector 1.
  • the connecting lines 7, 8, 9, 10, 11 and 12 and the valves 60, 61, 70, 71, 80, 81, 90 and 91 serve this purpose.
  • the turbine 4 is also used in this process.
  • the medium 3 can also be passed through a turbine 13. Lines between the heat exchangers and the turbines 4 and 13 can be blocked or released for the process in question by valves 50 and 51.
  • the heat engine has other heat sources such as Boiler, geothermal (geothermal) or the waste heat from fuel cells uses.
  • An arrangement of several heat exchangers 2 and 5 working in parallel can ensure a continuous supply of mechanical energy. Energy is then extracted from a heat exchanger combination in the form of work, while another combination is prepared for the next process cycle.
  • the thermal power plant can be designed for combined heat and power supply of houses via the heat storage 6 and the turbines 4 and 13, for example it can work with solar, geothermal or fuel cell heat, or even a combination of these as heat sources.
  • This heat can be used again to generate electricity when it is transported back from the heat store to the house supply.
  • the amount of heat Ql is absorbed with the help of a solar collector or a heat source 1 and partly converted into electrical energy Q3 via steam turbines 4, 14.
  • the remaining heat quantity Q2 is fed to a heat storage device 6 and stored via the heat exchangers 2 and 5.
  • Condensation is carried out with cold water (approx. 1 to 100 degrees Celsius) from a heat sink or the heat storage device 6.
  • the residual heat quantity Q2 evaporates from the heat store 6 the easily evaporating substance mixture in the heat exchangers 2 and 5.
  • the substance mixture generates electrical energy Q5 via the steam turbines 4 and 13.
  • the residual heat quantity Q4 is released to the environment via the then cold solar collector at night or dissipated or cooled in a heat storage device.
  • a heat quantity Q6 remains in heat storage 1 (solar collector) or 6 for use of the building's hot water or for heating purposes.
  • the heat exchangers 2 and 5 are described below according to their function (condenser / evaporator).
  • Upper cycle 1 (e.g. daytime operation):
  • both heat exchangers (2 and 5) contain the same amount of vaporizable substance or mixture of substances.
  • an easily vaporizable substance or mixture of substances for example H 2 O / NH 3, which is located in a heat exchanger or condenser 2, is heated, evaporated and superheated via a heat source 1.
  • This steam partially expands into a lifting cylinder 15 (or a gas balloon) and causes it to perform a mechanical movement. Thereafter, the steam from the lifting cylinder 15 and from the heat exchanger 2 is passed through the turbine 4 by opening valve 50.
  • This expansion which transports large amounts of steam, is supported by gas balloons 16 filled with an easily evaporable medium (evaporation temperature approx. 20-100 degrees Celsius).
  • an easily evaporable medium evaporation temperature approx. 20-100 degrees Celsius
  • the expanded steam from or after the turbine 4 is condensed in a cooled heat exchanger or condenser 5 and temporarily stored, a part of the mixture of substances in turn being passed into the reciprocating piston 17 (or also a gas balloon) and performing a lifting movement.
  • the heat exchangers or condensers 5 and 2 are connected to the heat source 1 and the heat accumulator 6 according to the sketch.
  • the switching valves 50 to 91 ensure the desired connection.
  • Valves 60, 61, 80, 81 are closed and valves 70 and 71 are open.
  • the inner cycle 1 works until the substance or
  • the pipes are then connected to one another by valves so that the heat source 1 is connected to the heat exchanger or condenser 5.
  • Valves 70 and 71 closed and valves 80 and 81 open.
  • Valves 90 and 91 closed and valves 60 and 61 open.
  • This steam expands in part into a lifting cylinder 17.
  • the steam is then passed out of the lifting cylinder 17 and out of the heat exchanger 5 through the turbine 13 by opening valve 51.
  • gas balloons 16 filled with an easily evaporable medium (evaporation temperature approx. 20-100 degrees Celsius). That when the pressure drops and high temperature, the gas balloons 16 expand and propel the mixture of substances
  • the expanded steam from or after the turbine 13 is condensed in a cooled heat exchanger or condenser 2 and temporarily stored, a part of the mixture of substances in turn being passed into the reciprocating piston 15 and carrying out a lifting movement.
  • the inner cycle 2 works until the substance or
  • Substance mixture in the heat exchanger or condenser 5 has largely evaporated and after opening valve 51 a pressure equalization and a mass shift between the heat exchangers has taken place. After the pressure equalization, valve 51 is closed so that the mass of material does not flow back.
  • the two steam turbines 4 and 13 are mechanically coupled to one another in order to ensure a continuous drive of the generator 14. Furthermore, any number of evaporation or condensation units can be switched on to ensure smooth running or to increase performance. In addition, the smoothness can also be improved with the help of a flywheel or the like.
  • heat source 1 becomes heat sink 1.
  • heat accumulator 6 becomes heat source 6. If the heat accumulator 6 is filled, the system is switched using valves (figure) so that the heat accumulator 6 is used as a heat source and the previous heat source 1 as a heat sink.
  • Valves 80 and 81 open.
  • the inner cycle 1 works until the substance or mixture of substances in the heat exchanger or condenser 5 has largely evaporated and after opening valve 51 there has been a pressure equalization and a mass shift between the heat exchangers. After the pressure equalization, valve 51 is closed so that the mass of material does not flow back.
  • the substance or mixture of substances is now in the heat exchanger or condenser 5 in the liquid and cooled state.
  • the easily evaporable substance or mixture of substances for example H 2 0 / NH 3, which is located in the heat exchanger or condenser 5, is heated, evaporated and superheated via a heat source 1 in the inner cycle 2.
  • This steam partially expands into a lifting cylinder 17 (or a gas balloon). Thereafter, the steam from the lifting cylinder 17 and from the heat exchanger 5 is passed through the turbine 13 by opening valve 51.
  • gas balloons 16 filled with an easily evaporable medium (evaporation temperature approx. 20-100 degrees Celsius). That in the event of a pressure drop and high temperature, the gas balloons 16 expand and drive the substance mixture H20 / NH3 through the turbine 13. This is evacuated by a counterforce on the lifting cylinder 17 and the mechanical movement is returned.
  • an easily evaporable medium evaporation temperature approx. 20-100 degrees Celsius
  • the relaxed steam from or after the turbine 13 is condensed in a cooled heat exchanger or condenser 2 and temporarily stored, a portion of the mixture of substances in turn being passed into the reciprocating piston 15 and performing a lifting movement.
  • the inner cycle 2 works until the substance or mixture of substances in the heat exchanger or condenser 5 has largely evaporated and after opening valve 51 a pressure equalization and a mass shift between the heat exchangers shear has taken place. After the pressure equalization, valve 51 is closed so that the mass of material does not flow back.
  • heat source 6 is "empty", i.e. the temperature level is below approx. 30 Celsius.
  • heat sink 1 becomes heat source 1 again.
  • heat source 6 becomes heat storage 6 again.
  • thermal solar cells can be used as the sunlight receiver (solar collector) 1 or heat source 1.
  • the sunlight receiver 1 is provided in isolation from the ground for solar radiation.
  • the sunlight receiver 1 can be designed as a fixed container or as an expandable balloon or similar container.
  • the stretchable balloon with a dark, non-reflecting and highly heat-conducting outer surface can absorb a larger amount of heat Ql when the sun is shining (pressure, temperature and surface area in the balloon increase). An increase in the surface area results in an increased energy consumption, which in turn leads to an increase in the surface area, etc.
  • the connection options for the integrated heat exchanger 2 for introducing and discharging liquids or vapors are located on the sunlight receiver.
  • the sunlight receiver 1 is to be protected against excess pressure and external influences. In addition, all to comply with appropriate environmental protection regulations. It can also be surrounded by a kind of winter garden with mirrored surfaces.
  • the heat source 1 can be used as a heat sink 1 in the relatively cool hours of the night, since it cools down continuously in the air.
  • the heat or water reservoir 6 is dimensioned such that at least one daily heat output, minus the electrical power generated, of the heat source can be stored. Since the solar heat output fluctuates very strongly over the year, the heat or water storage 6 can also consist of several small storage tanks.

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  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein wärmetechnisches Kraftwerk (100), bei dem eine Temperaturdifferenz zwischen einer Wärmequelle (1) und einer Wärmesenke (6) ausgenutzt wird, wobei ein innerer geschlossener Kreislauf (2, 21, 5, 22, 13) vorgesehen ist, welcher Kreislauf wenigstens aus zwei zu einem Kreislauf verbundene Wärmetauscher (2, 5) aufweist, durch welche ein Medium (3) zirkulieren kann, das insbesondere thermische Energie aufnehmen zu vermag, wobei die Wärmetauscher (2, 5) jeweils von aussen im Inneren gekühlt oder beheizt werden können, wodurch diese wahlweise für das darin zirkulierende Medium (3) als Verdampfer oder als Kondensator arbeiten können, wobei die Wärmequelle (1) und die Wärmesenke (6) jeweils entweder einem ersten Wärmetauscher (2) oder einem zweiten Wärmetauscher (5) zugeordnet werden können, wobei durch den durch die Wärmequelle (1) und die Wärmesenke (6) hervorgerufenen Temperaturunterschied der Wärmetauscher (2, 5) ein Transport vom Medium (3) von einem Wärmetauscher zum anderen erfolgt.

Description

Wärmetechnisches Kraftwerk
Die Erfindung betrifft ein wärmetechnisches Kraftwerk, bei dem eine Temperaturdifferenz zwischen einer Wärmequelle und einer Wärmesenke ausgenutzt wird.
Es sind verschiedenste Ausgestaltungen derartiger Kraftwerke bekannt, die jedoch alle den Nachteil aufweisen, dass sie einerseits Pumpen für den Mediumkreislauf benötigen und andererseits nur bei Sonneneinstrahlung Energie liefern.
Wärmetechnische Kraftwerk die die Solarthermische Energie nutzen sind beispielsweise bekannt als Solarturmkraftwerke oder Parabolrinnenkraftwerke . Über einen Receiver wird Sonnenlicht gesammelt und als Wärme zur Dampferzeugung weitergeleitet.
Diese Kraftwerke sind technisch aufwändig, arbeiten mit hohen Temperaturen (größer 200 Grad Celsius) und sind deshalb nicht für Kleinkraftwerke in unseren Breiten geeignet.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein wärme- technisches Kraftwerk vorzuschlagen, welches ohne Pumpen für den Mediumkreislauf auskommt und auch in den Nachtstunden Energie zu liefern vermag.
Die Aufgabe wird durch ein wärmetechnisches Kraftwerk nach Anspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein innerer geschlossener Kreislauf vorgesehen ist, welcher Kreislauf wenigstens aus zwei zu einem Kreislauf verbundene Wärmetauscher auf- weist, durch welche ein Medium zirkulieren kann, das insbesondere thermische Energie aufnehmen zu vermag, wobei die
BESTATIGUNGSKOPIE Wärmetauscher jeweils von außen im Inneren gekühlt oder beheizt werden können, wodurch diese wahlweise für das darin zirkulierende Medium als Verdampfer oder als Kondensator arbeiten können, wobei die Wärmequelle und die Wärmesenke jeweils entweder einem ersten Wärmetauscher oder einem zweiten Wärmetauscher zugeordnet werden können, wobei durch den durch die Wärmequelle und die Wärmesenke hervorgerufenen Temperaturunterschied der Wärmetauscher ein Transport vom Medium von einem Wärmetauscher zum anderen erfolgt.
Die Erfindung schlägt vor, ein wärmetechnisches Kraftwerk so auszubilden, dass durch den Transport vom wärmeren Wärmetauscher das aufgeheizte Medium mit seiner mitgeführten Energie zum kälteren Wärmetauscher transportiert wird.
Durch das Massenungleichgewicht des Mediums wird ein verbesserter Wirkungsgrad erreicht; d.h. Abgekühlt wird eine geringere Menge an Medium als die Menge an Medium die erhitzt wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieh vor, dass das Medium bei den durch die Wärmesenke und die Wärmequelle an den Wärmetauschern vorhandenen Temperaturen leicht verdampft und kondensiert werden kann, wobei das Medium insbe- sondre ein Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoff, oder eine Ammoniak und/oder Methylenchlorid enthaltende Mischung ist. Dem folgend ist das Medium ein Stoff oder ein Stoffgemisch, welches bei ca. 30 - 100 °C verdampft.
Vorteilhafterweise ist ein Sperrventil zur Unterbrechung der Verbindung der Wärmetauscher vorgesehen. Hierdurch kann die Abkühlung und Erwärmung unter Verhinderung der Zirkulation des Mediums erfolgen.
Bevorzugterweise ist in die Verbindung zwischen den Wärmetauschern wenigstens einen Energiewandler, insbesondere eine Turbine oder ein Hubzylinder, zwischengeschaltet, die durch den zirkulierenden Massentransport des Mediums im Kreislauf angetrieben ist. Hierdurch kann mittels des vorgeschlagenen Kraftwerks beispielsweise an der Wärmequelle gesammelte Sonnenenergie nicht nur in Form von Wärme, sondern auch parallel dazu als Arbeit genutzt werden.
Von Vorteil wird das gasförmige Medium in der Turbine wenigstens annähernd isentrop expandiert.
Die Turbine ist von Vorteil mit einer mechanische Arbeit umsetzenden Einrichtung, insbesondere einem Stromgenerator, einer Klimaanlage oder einer Wärmepumpe, verbunden.
Die Turbine setzt die in Form von Wärmeenergie dem Medium zugeführte Energie von Vorteil teilweise in mechanisch nutzbare Arbeit um. Mittels dieser Turbine können verschiedenartigste Kraftmaschinen angetrieben werden.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass mit dem Kreislauf wenigstens ein Gasballon oder Hubzylinder, insbesondere an den Wärmetauschern, verbunden ist. Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass die Hubkolben mit Hydraulikkolben mechanisch verbunden sein können, welche einen Hydrau- likmotor oder ähnliches antreiben.
Bevorzugterweise ist als Wärmequelle ein Sonnenkollektor, insbesondere mit Vakuum-Röhrenkollektoren („Heat Pipe") oder als dehnbarer Ballon vorgesehen.
Weiterhin von Vorteil ist als Wärmequelle ein Öl- oder Gasbrenner, ein Erdwärmespeicher oder eine Brennstoffzelle vorgesehen.
Die Wärmesenke ist bevorzugterweise durch einen Wärmespeicher, insbesondere durch einen Wassertank ausgebildet. Vorteilhafterweise ist eine Kreislaufsteuerung vorgesehen, die mittels Ventile die Aufschaltung der Wärmesenke oder der Wärmequelle auf den jeweiligen abkühlenden oder aufwärmenden Wärmetauscher sowie die zyklische Zirkulation des Mediums im Kreislauf steuert.
Bevorzugt ist die Kreislaufsteuerung so eingerichtet, dass das Medium bis zum Erreichen eines Druckgleichgewichtes oder eines definierten Druckverhältnisses zwischen erstem Wärmetauscher und zweitem Wärmetauscher dem als Kondensator, also dem abkühlenden Wärmetauscher zugeführt wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Kreislaufsteuerung so eingerichtet ist, dass die Restenergie im Wärmetauscher mit der geringeren Menge an Medium zu einem Energiespeicher transportiert wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Kreislaufsteuerung so eingerichtet ist, dass immer derjenige Wärmetauscher als Verdampfer verschaltet wird (beheizt wird), der aktuell eine größere Menge des Mediums enthält, als diejenige Menge des Mediums im anderen Wärmetauscher.
Von Vorteil ist die Kreislaufsteuerung so eingerichtet, dass die Abkühlung desjenigen Wärmetauschers mit der kleineren aktuell enthaltenen Menge an Medium dann erfolgt, wenn kein Medium vom einen zum anderen Wärmetauscher transportiert wird.
Zur Übertragung der Wärmeenergie in den Wärmetauschern sind nach einer bevorzugten Weiterbildung mit einem Übertragungsmittel gefüllte Leitungen vorgesehen, die durch diese Leitungen und durch die Wärmequelle und/oder die Wärmesenke zum weiteren Wärmeaustausch zirkulieren. Von Vorteil erfolgt die Abkühlung im Wärmetauscher polytrop. Ebenso von Vorteil erfolgt die Wärmezufuhr im Wärmetauscher polytrop.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass mehrere Wärmequellen wie Sonnenkollektoren, geothermische Wärmequellen, Brennstoffzellen und Gas- und/oder Öl-Brenner vorgesehen sind.
Von Vorteil sind mehrere parallel arbeitende Kreisläufe mit Wärmetauschern und Turbine/n und/oder Hubzylindern zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke vorgesehen.
Vorteilhafterweise sind mehrere Kreisläufe mit Wärmetauschern und Turbine/n und/oder Hubzylindern vorgesehen, welche unterschiedliche Medien für unterschiedliche Temperaturniveaus beinhalten.
Von Vorteil sind in den Wärmtauschern mit zu verdampfender Flüssigkeit gefüllte Gasballone eingebracht. Hierdurch werden Bauteile eingespart. Bei der Erwärmung dehnt sich der Ballon durch den ansteigenden Innendruck aus und vergrößert dadurch seine Oberfläche.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Wärmetauscher zu einem Kreis verschaltet sind.
Eine vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein leicht Verdampf- und kondensierbares Medium zwischen dem jeweiligen Verdampfer und dem jeweiligen Verflüssiger, vorzugsweise zyklisch, zirkuliert. Damit kann das Kraftwerk in zwei Richtungen betrieben werden.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass im Kreislauf eine definierte Menge eines zum Wärmetransport dienenden Mediums vorgesehen ist, welches zwischen dem jewei- ligen Verdampfer und dem jeweiligen Kondensator, vorzugsweise zyklisch, zirkuliert. Hierdurch wird der Wirkungsgrad der Anlage optimiert. Es muss kein nicht genutztes Medium miterhitzt werden. Dadurch können auch geringe Temperaturunter- schiede ausgenutzt werden.
Durch das „logische" Vertauschen der beiden Wärmetauscher steht nun dem Verdampfer wieder ein Medium zur Verfugung, das im Verflussiger kondensiert werden kann.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Verdampfer als Sonnenkollektor ausgebildet ist.
Eine vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Sonnenkollektor als dehnbarer Ballon ausgebildet ist .
Hierdurch werden Bauteile eingespart. Bei Erwärmung dehnt sich der Ballon durch den ansteigenden Innendruck aus und vergrößert dadurch seine aktive Oberflache.
Eine vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass dem Verflussiger ein Warmespeicher zugeordnet ist.
Die nicht genutzte Energie wird in dem Warmespeicher zwischengespeichert .
Damit wird die beim Verflüssigen gewonnene Energie gespeichert und kann bei Bedarf verwendet werden.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass dem Verdampfer die Wärmequelle, z. B. ein Sonnenkollektor oder eine sonstige Wärmequelle wie ein 01- oder Gasbrenner oder die Abwarme einer Brennstoffzelle, als Energiequelle zugeordnet ist. Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zwischen Verdampfer und Kondensator wenigstens eine Turbine vorgesehen ist.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Medium in der Turbine wenigstens annähernd isentrop expandiert wird, wodurch von Turbine Arbeit abgegeben werden kann .
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Medium mit seiner Restenergie nach dem Durchlauf der Turbine dem Kondensator zugeführt wird.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Medium bis zum Erreichen eines Druckgleichgewichtes bzw. eines definierten Druckverhältnisses zwischen Verdampfer und Kondensator dem Kondensator zugeführt wird.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Verbindung beim Erreichen eines Druckgleichgewichtes bzw. eines definierten Druckverhältnisses zwischen Verdampfer und Kondensator unterbrochen wird.
Hierdurch wird ein Großteil der erhitzten Stoffmenge unter Angabe von Arbeit dem Kondensator zugeführt.
Dabei hat es sich als äußerst vorteilhaft erwiesen, wenn die Restenergie im Wärmetauscher mit der geringeren Stoffmenge des Mediums zu einen Energiespeicher transportiert wird.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Restenergie im Wärmetauscher mit der geringeren Stoffmenge des Mediums zu einem Energiespeicher transportiert wird. Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass sich das Medium während des Betriebes des Kraftwerkes vom Verdampfer zum Kondensator verlagert.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Kondensator mit der Wärmequelle verbunden wird, sobald ein bestimmter Teil des Mediums vom Verdampfer zum Kondensator transportiert worden ist.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass immer derjenige Wärmetauscher als Verdampfer verschaltet wird, der eine bestimmte Menge des Mediums enthält, die größer ist als diejenige im anderen Wärmetauscher.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Medium im Kondensator abgekühlt wird und dass das Medium im Verdampfer erhitzt wird.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Abkühlung im Kondensator polytrop erfolgt.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Wärmezufuhr im Verdampfer polytrop, erfolgt.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass mehrere Wärmequellen wie Sonnenkollektoren, geothermische Wärmequellen, Brennstoffzellen und Gas- und/oder Öl-Brenner vorgesehen sind.
Dadurch ist der Betrieb des Kraftwerkes unabhängig von einer Wärmequelle. Die Betriebsdauer erhöht sich.
Durch die Verwendung mehrer Energiequellen wird eine tageszeitliche und saisonale Unabhängigkeit erreicht. Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine Arbeitstaktung vorgesehen ist.
Dabei ist es äußert vorteilhaft, wenn die Abkühlung desjeni- gen Wärmetauschers mit der kleineren Stoffmenge dann erfolgt, wenn kein Medium vom einen zum anderen Wärmetauscher transportiert wird.
Hierdurch wird nach dem Druckausgleich ein Ausgleich der Wär- me zwischen den beiden Wärmetauchern vermieden.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Abkühlung desjenigen Wärmetauschers mit der kleineren Stoffmenge dann erfolgt, wenn kein Medium vom einen zum ande- ren Wärmetauscher transportiert wird.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zwischen den Wärmetauschern für den Prozess nutzbare Energie durch die Stoffmenge transportiert wird.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass mehrere parallel arbeitende Wärmetauscher und Wärmetauscherkombinationen vorgesehen sind.
Damit kann eine kontinuierliche Gewinnung mechanischer Arbeit sichergestellt werden, auch wen das Kraftwerk getaktet arbeitet.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Kraftwerk zur autarken Energieversorgung von Gebäuden vorgesehen ist.
Eine vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass im Kreislauf zwischen Verdampfer und Verflüssiger eine definierte Menge eines Mediums eingebracht ist. Eine vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der erste Wärmetauscher solange als Verdampfer arbeitet, solange noch verdampfbares Medium vorhanden ist.
Eine vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass steht dem ersten Wärmetauscher kein weiteres Medium mehr zur Verfügung der zweite Wärmetauscher der Wärmequelle, z. B. dem Sonnenkollektor zugeordnet wird und der erste Wärmetauscher dem Energiespeicher zugeordnet wird.
Eine vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass, sobald der Sonnenkollektor keine ausreichende Wärmeenergie mehr zu liefern vermag, der Prozess umgedreht wird und dem Energiespeicher Warme entzogen wird und entweder über den Sonnenkollektor an die Umwelt abgegeben oder einem weiteren Warmespeicher zugeführt wird.
Hierdurch kann das Kraftwerk auch dann noch Energie liefern, wenn keine Sonnenenergie mehr zur Verfugung steht. Dies ist insbesondere nachts der Fall. Es wird dabei die tagsüber eingestrahlte Wärmeenergie besonders gut ausgenutzt.
Eine vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Prozessumkehrung, insbesondere bei Verwendung eines weiteren Warmespeichers solange vollzogen wird, solange das Temperaturniveau zur Verdampfung des Mediums ausreicht.
Eine vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zwischen Verdampfer und Kondensator wenigstens eine Tur- bine vorgesehen ist.
Eine vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Turbine ein Generator für elektrische Energie zugeordnet ist. Eine vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass mehrere Wärmetauscher-Turbine-Wärmetauscher-Anordnung vorgesehen sind, welche unterschiedliche Medien für unterschiedliche Temperaturniveaus beinhalten.
Hierdurch kann die in das System eingespeiste Energie nochmals besser ausgenutzt werden, wobei das Kraftwerk immer mit einem besseren Wirkungsgrad arbeitet.
Eine vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass eine Einrichtung vorgesehen ist, die dem Kraftwerk, insbesondere dem Wärmespeicher Wärmeenergie zu entnehmen vermag. Hiermit kann z.B. Brauchwasser erwärmt werden.
Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass durch Nutzung dynamischer Expansionsräume mit Hilfe von Hubzylindern oder Gasballonen in einem wärmetechnischen Kraftwerk eine kombinierte Wärme- und Stromversorgung mit ausschließlich warmem (heißem) Wasser als Energielieferant möglich ist.
Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass, durch Nutzung dynamischer Expansionsräume mit Hilfe von Gasballone in einem wärmetechnischen Kraftwerk eine kombinierte Wärme- und Stromversorgung mit ausschließlich warmem (heißem) Wasser als Ener- gielieferant möglich ist.
Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass, durch Nutzung dynamischer Expansionsräume mit Hilfe von wechselnden Massenungleichgewichten des Mediums zwischen Verdampfer und Kon- densator in einem wärmetechnischen Kraftwerk eine kombinierte Wärme- und Stromversorgung mit ausschließlich war- mem(heißem) Wasser als Energielieferant möglich ist.
Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass die Wärme nach der Nutzung im wärmetechnischen Kraftwerk in Langzeitwärmespeichern zwischengespeichert wird. Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass am Wärmetauscher (als Verdampfer oder Kondensator arbeitend) jeweils ein oder mehrere Hubzylinder oder Gasballone angebracht sind. Die Hubzy- linder sind am „oberen" Bereich der Verdampfer angeflanscht um hauptsächlich „Naß-, Satt-, oder Überhitzten Dampf" vom Wärmetauscher in den Hubkolben einzuleiten.
Die Hubzylinder oder Gasballone nehmen Dampf aus dem Wärme- tauscher auf und führen eine mechanische Bewegung aus.
Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass der mechanischen Bewegung der Hubkolbens eine Kraft entgegenwirkt. Diese (Feder) Kraft ist der Drucksituation angepasst.
Dabei ist es sehr vorteilhaft, wenn das zum Wärme- und Stofftransport vorgesehene Arbeitsmedium im Verdampfer beim Erwärmen zyklisch in größerer Menge vorhanden ist; wobei im gleichen Moment im Kondensator eine kleinere Menge Arbeitsmedium vorhanden ist.
Beim Erwärmen arbeiten Hubzylinder gegen eine der beim Pro- zess entstehende Druckkraft entsprechende (Feder) Kraft , die gegen die Ausbreitung des Hubzylinders gerichtet ist.
Dies führt zur Zurückführung des Hubzylinders beim Druckausgleich.
An die Hubzylindern können mechanische Einheiten oder Hydrau- likzylinder gekoppelt sein, welche einen Hydraulikmotor antreiben.
Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass das expandierte Medium vom Verdampfer kommend, einen oder mehrere am Kondensator angeflanschte Hubzylinder ausfährt. Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass in den Wärmtauschern und mit zu verdampfender Flüssigkeit gefüllte Gasballone eingebracht sind.
Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass die Hubkolben und mit Hydraulikkolben mechanisch verbunden sein können, welche einen Hydraulikmotor oder ähnliches antreiben.
Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass die Wärme beim Zu- rücktransport vom Erdwärmespeicher zum Haus nochmals zur Stromerzeugung genutzt wird.
Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteran- Sprüchen oder deren Unterkombinationen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der einzigen Zeichnung weiter erläutert, wobei das Ausführungsbeispiel in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehen ist. Im Einzelnen zeigt die schematische Darstellung in:
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen wärmetechnischen Kraftwerkes.
Dabei zeigt die einzige Figur 1 einen schematischen Plan eines erfindungsgemäßen wärmetechnischen Kraftwerkes, in Form eines solarthermischen Kraftwerks.
Gerade bei Nutzung eines Solarkollektors als Wärmequelle, wie im gezeigten Beispiel, erfolgt Nutzung der Sonnenenergie in Form von Wärme mit Temperaturen von ca. 20 bis 200 Grad Celsius in einem Tag/Nacht-Zyklus und in mehreren inneren Zyklen, also von einem Wärmetauscher zum anderen unter Abgabe von Energie in den Turbinen. Außerdem können alle Arten von Wärmeenergie im oben genannten Temperaturbereich für dieses Kraftwerk eingesetzt werden. Z.B. Öl- und Gasbrenner, Brennstoffzellenabwärme, Geothermie, Biogasprozesswärme, Abwärme aus Kraftwerken aller Art.
Das wärmetechnisches Kraftwerk 100, bei dem eine Temperaturdifferenz zwischen einer Wärmequelle 1 und einer Wärmesenke (6) ausgenutzt wird, weist einen inneren geschlossenen Kreislauf (Gebildet durch die Elemente 2, 21, 5, 22 und 13) auf.
Der Kreislauf weist zwei zu einem Kreislauf verbundene Wärmetauscher 2 und 5 auf, durch welche ein Medium 3 zirkulieren kann, das thermische Energie aufnehmen zu vermag.
Die Wärmetauscher 2 und 5 jeweils von außen im Inneren gekühlt oder beheizt werden können, zur Übertragung der Wärmeenergie in den Wärmetauschern mit einem Übertragungsmittel sind gefüllte Leitungen 31 vorgesehen.
Dadurch können die Wärmetauscher 2 und 5 wahlweise für das darin zirkulierende Medium 3 als Verdampfer oder als Kondensator arbeiten, wobei die Wärmequelle 1 und die Wärmesenke 6 jeweils entweder einem ersten Wärmetauscher 2 oder einem zweiten Wärmetauscher 5 zugeordnet werden können, wobei durch den durch die Wärmequelle 1 und die Wärmesenke 6 hervorgerufenen Temperaturunterschied der jeweilige Wärmetauscher 2, 5 ein Transport vom Medium 3 vom wärmeren Wärmetauscher zum kälteren erfolgt.
Die Sperrventile 50, 51 dienen zur Unterbrechung der Verbindung der Wärmetauscher. Damit werden auch die in die Verbindung 21, 22 zwischen den Wärmetauschern 2, 5 als Energiewandler eingebauten, mit einem Stromgenerator 14 über die mechanische Kopplung 141 gekoppelten Turbinen 4 und 13 deakti- viert. In den Turbinen wird das gasförmige Medium 3 annähernd isen- trop expandiert.
Des weiteren sind jedem Wärmespeicher ein Hubzylinder 15, 17 zugeordnet.
Die Hubkolben können mit nicht in der Figur dargestellten Hydraulikkolben mechanisch verbunden sein, welche einen Hydraulikmotor oder ähnliches u.a. zur Energiegewinnung antrei- ben.
Anstelle der Hubzylinder sind auch Gasballone möglich, die das zur Verfügung stehende Expansionsvolumen für das Medium noch vergrößern.
Die Wärmesenke 6 ist durch einen Wärmespeicher 6a in Form eines großen Wassertanks ausgebildet.
Eine vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass eine Einrichtung vorgesehen ist, die dem Kraftwerk, insbesondere dem Wärmespeicher Wärmeenergie zu entnehmen vermag. Dies kann durch Entnahme von angewärmten Brauchwasser aus dem Wassertank erfolgen.
Die Abfolge der Öffnungen der Ventile 50, 51, 60, 61, 70, 71, 80, 90, 91 steuert eine Kreislaufsteuerung 101, die mittels die Aufschaltung der Wärmesenke 6 oder der Wärmequelle 1 auf den jeweiligen abkühlenden oder aufwärmenden Wärmetauscher 2 oder 5 sowie die Zirkulation des Mediums 3 im Kreislauf 2, 21, 5, 22, 13 steuert. Zur Ermittlung der jeweiligen Temperaturen ist die Kreislaufsteuerung 101 mit Temperatur- und Druckfühlern 102 verbunden, die die aktuelle Temperatur des Mediums 3 und den Druck in den jeweiligen Wärmetauschern 2, 5 messen. Die Kreislaufsteuerung 101 ist dabei so eingerichtet, dass das Medium 3 bis zum Erreichen eines Druckgleichgewichtes oder eines definierten Druckverhältnisses zwischen erstem Wärmetauscher 2 und zweitem Wärmetauscher 5 dem als Kondensa- tor, also dem abkühlenden Wärmetauscher zugeführt wird.
Die Restenergie im Wärmetauscher mit der geringeren Menge an Medium 3 - im Beispiel Wärmetauscher 2 - wird zu einem Energiespeicher 6 (Wärmesenke) transportiert.
Eine Konfiguration der Kreislaufsteuerung 101 sieht vor, dass immer derjenige Wärmetauscher 2 oder 5 als Verdampfer verschaltet (beheizt) wird, der aktuell eine größere Menge des Mediums 3 enthält, als diejenige Menge des Mediums 3 im ande- ren Wärmetauscher.
Dem entsprechend erfolgt die Abkühlung desjenigen Wärmetauschers 2 oder 5 mit der kleineren aktuell enthaltenen Menge an Medium 3 durch Verschaltung mit der Wärmesenke dann, wenn kein Medium 3 vom einen zum anderen Wärmetauscher 2, 5 transportiert wird. Die Abkühlung im Wärmetauscher erfolgt polytrop. Die Wärmezufuhr im Wärmetauscher erfolgt polytrop.
Es können mehrere Kreisläufe mit Wärmetauschern und Turbine/n und/oder Hubzylindern vorgesehen sind, welche unterschiedliche Medien für unterschiedliche Temperaturniveaus beinhalten.
Das ermöglicht feste optimal abgestimmte Kreisläufe für bestimmte Temperaturdifferenzen, unabhängig von der Temperatur- differenz der Wärmequelle und Wärmesenke.
In den Wärmtauschern 2, 5 sind mit leicht verdampfender Flüssigkeit (früher oder gleichzeitig siedend wie das Medium 3) gefüllte Gasballone 16 eingebracht. Diese unterstützen die Verbringung des Mediums 3 von einem Wärmetauscher zum anderen. Im Folgenden wird die Figur nochmals mit mehr Einzelheiten zur Zusammenwirkung der Elemente beschrieben:
Die Wärmequelle 1 ist als Sonnenkollektor ausgebildet, der während den Tagstunden solare Wärme aufzunehmen vermag und diese im abgebildeten Zustand gerade noch - da schon bald zu leer - einem Wärmetauscher 2 zuführt, der ein Medium 3 zu erhitzen (verdampfen) vermag. Wärmequellen können auch Lang- zeitwärmespeicher sein.
Als Medium 3 können verschiedenartigste Stoffe oder Stoffgemische, die vorzugsweise bei ca. 30 - 100 °C verdampfen, vorgesehen sein, die den Umgebungsbedingungen genügen. Oftmals wird ein Gemisch aus H20 und NH3 verwandt.
Hier sind auch Alkohole, auch höherwertige, Butan, Fluor- Chlor-Kohlenwasserstoffe (FCKW), oder Mischungen aus Methylenchlorid möglich.
Das durch die zugeführte thermische Energie vorzugsweise annähernd isochor erhitzte, insbesondere dabei verdampfte Medium 3 wird über eine Turbine 4 einem als Verflüssiger arbeitenden Wärmetauscher 5 zugeführt.
Die Turbine 4 vermag die ihr durch die annähernd isentrope Entspannung des Mediums 3 zugeführte Energie in Form von Arbeit abzugeben.
Das durch die zugeführte thermische Energie erhitzte Medium 3 im Wärmetauscher 2 wird unter der Erhöhung des Druckes im Wärmetauscher 2 zudem in einen Hubzylinder 15 expandiert.
Des weiteren können, wie dargestellt, in den Wärmetauschern 2 und 5 Gasballone 16 vorgesehen sein, die mit einer Flüssig- keit bzw. einem Gas gefüllt sind, das einen niedrigeren Siedepunkt als das Medium 3 hat.
Die Ausdehnung der Gasballone 16 mit dem leicht verdampfendem Medium kann die Expansion in den Hubzylinder 15 unterstützen.
Der Hubzylinder 15 vermag Arbeit zu verrichten. An den Hubzylindern 15 und 17 wirkt auch eine Gegenkraft (Feder) die der Hubbewegung entgegenwirkt und diese beim Druckausgleich zu- rückfährt. Diese Gegenkraft bewirkt bei nachfolgender Zuführung des Mediums 3 in den Wärmetauscher 5 eine Rückbewegung des Hubzylinders 15.
Nach der Erhitzung wird die Verbindung zwischen Wärmtauscher 2 und 5 geöffnet.
Bei der Zuführung von Medium 3 in Wärmetauscher 5 wird ein Teil von Medium 3 in den Hubzylinder 17 expandiert. Dies geschieht bis zum Druckausgleich zwischen den Wärmetauschern und zum Gewinn von mechanischer Energie. Der Druckausgleich bewirkt auch ein zurückfahren von Hubzylinder 15.
Das Medium in den Gasballonen 16 kann kondensieren.
Nun wird die Verbindung zwischen Wärmtauscher 2 und 5 geschlossen .
Dem Wärmetauscher 5 ist ein Wärmespeicher 6 zugeordnet, der als Warmwasserboiler ausgebildet sein kann.
Im Wärmetauscher 2 ist eine endliche Menge des Mediums 3 vorhanden.
Der Wärmetauscher 5, der nunmehr die größere Menge des Medi- ums 3 enthält wird erhitzt, arbeitet also im Folgenden als
Verdampfer, wohingegen der Wärmetauscher 2 mit der geringeren Menge des Mediums 3 abgekühlt wird, und somit zum Kondensator wird.
Spätestens sobald das gesamte Medium 3 im als Verdampfer ar- beitenden Wärmetauscher 2 verdampft ist, werden die Verbindungsleitungen 7 und 8 zwischen dem Sonnenkollektor 1 und dem Wärmetauscher 2 durch Ventile 70 und 71 unterbrochen. Stattdessen werden Verbindungsleitungen 9 und 10 zwischen dem Sonnenkollektor 1 und dem Wärmetauscher 5 durch Ventile 80 und 81 freigegeben.
Die Verbindung zwischen dem Wärmetauscher 5 und dem Wärmespeicher 6, (Leitungen 11 und 12) wird dabei durch Ventile 90 und 91 unterbrochen. Stattdessen wird eine Verbindung zwi- sehen dem Wärmespeicher 6 und dem Wärmetauscher 2 mittels Ventilen 60 und 61 freigegeben.
Der Wärmetauscher 2 arbeitet nun als Verflüssiger, wohingegen der Wärmetauscher 5 und als Verdampfer arbeitet, der dem Son- nenkollektor 1 zugeordnet ist. Das Medium 3 wird nun vom Wärmetauscher 6 zum Wärmetauscher 2 transportiert.
Die Erwärmung von Wärmetauscher 5 bewirkt nun eine Erhöhung des Druckes im Wärmetauscher 5 und eine Expansion des optio- nal vorhandenen Hubzylinders 17. Dies wird unterstützt durch die Verdampfung und Expansion des Mediums in den Gasballonen 16. Der Hubzylinder 17 vermag wiederum bei der Auslenkung Arbeit zu verrichten.
Die dem Wärmetauscher 2 entnommene Energie wird einem Wärmespeicher 6 zugeführt, der als Warmwasserboiler ausgeführt werden kann.
Die Verbindung zwischen den Wärmetauschern 2 und 5 wird wie- der über eine Turbine hergestellt, wodurch erhitztes Medium 3 vom Wärmetauscher 5 zum Wärmetauscher 2 strömt und dabei Arbeit in der Turbine verrichtet.
Der Prozess wiederholt sich immer wieder. Es wird immer der jeweilige abzukühlende Wärmetauscher mit dem Wärmespeicher 6 und der zu erhitzende Wärmetauscher mit dem Sonnenkollektor 1 verbunden. Hierzu dienen die Verbindungsleitungen 7, 8, 9, 10, 11 und 12 sowie die Ventile 60, 61, 70, 71, 80, 81, 90 und 91. Es ist möglich, dass die Turbine 4 auch bei diesem Prozess Verwendung findet. Das Medium 3 kann aber auch durch eine Turbine 13 geleitet werden. Leitungen zwischen den Wärmetauschern und den Turbinen 4 und 13 lassen sich für den jeweils ablaufenden Prozess durch Ventile 50 und 51 sperren bzw. freigeben.
Des weiteren ist es denkbar, dass die beschriebene Prozessumkehr schon erfolgt, wenn eine definierte bzw. die gesamte Menge des Mediums 3 vom Wärmetauscher 2 zum Wärmetauscher 5 transportiert worden ist.
Sinkt das Temperaturniveau des Sonnenkollektors 1 unter das des Wärmespeichers 6, was vor allem nachts, also bei stark verringerter Energieeinstrahlung auf den als Energiequelle Anwendung findenden Sonnenkollektor, der Fall ist, so wird nunmehr dem Wärmespeicher 6 Energie entzogen und dem Sonnenkollektor 1 als Wärmesenke zugeführt. Dabei ist es aber auch denkbar, dass ein weiterer, nicht dargestellter Wärmespeicher vorgesehen ist, der anstatt des Sonnenkollektors 1 nunmehr als Wärmesenke Verwendung findet. Die bei der Abkühlung (Verflüssigung) frei werdende Energie wird dadurch auch noch ausgenutzt. Bei Verwendung des angesprochenen zweiten Wärmespeichers kann der Prozess mehrfach hintereinander ausgeführt werden, bis des Temperaturniveau nicht mehr zur Verdampfung ausreicht. Den Turbinen 4 und 13 kann ein Generator 14 zugeordnet sein, der elektrische Energie liefert. Es ist aber auch denkbar, dass die Turbinen zum Antrieb beliebiger, mechanische Energie benötigender Gerate verwendet werden. Hierzu gehören auch Klimaanlagen und Wärmepumpen.
Es ist des weiteren denkbar, dass mehrere Warmetauscher- Turbine-Warmetauscher-Anordnungen vorgesehen sind, die wechselweise mit dem Sonnenkollektor bzw. dem/den Warmespeicher/- n verbunden werden können. Diese verschiedenen Anordnungen können unterschiedliche Medien enthalten, die auf unterschiedlichen Temperaturniveaus arbeiten.
Denkbar ist aber auch, dass die Wärmekraftmaschine andere Wärmequellen wie z.B. Heizkessel, Geothermie (Erdwarme) oder die Abwarme von Brennstoffzellen nutzt.
Durch eine Anordnung mehrere parallel arbeitender Wärmetauscher 2 und 5 kann eine kontinuierliche Versorgung mit mecha- nischer Energie sichergestellt werden. Dabei wird dann jeweils einer Warmetauscherkombination Energie in Form von Arbeit entzogen, wahrend eine weitere Kombination für den nächsten Prozesstakt vorbereitet wird.
Das warmetechnische Kraftwerk kann zur kombinierten Warme und Stromversorgung von Hausern über den Warmespeicher 6 und die Turbinen 4 und 13 ausgelegt werden, es kann beispielsweise mit Solar-, Erd-, oder Brennstoffzellenwarme, oder gar einer Kombination dieser als Wärmequellen arbeiten.
Hierbei steht z.B. im Sommer über thermische Solarzellen sehr viel an Solarwarme zur Verfugung, die normalerweise in einem Haus zur warmen Sommerzeit nicht abgerufen wird. Der nicht nutzbare Warmeanteil wird in Warmespeichern in den unterschiedlichsten Ausfuhrungen über längere Zeit (Stunden, Tage, Wochen, Monate,...) zwischengespeichert.
Beim Rucktransport vom Warmespeicher zur Hausversorgung kann diese Warme nochmals zur Stromerzeugung genutzt werden.
Durch diese mehrfache Nutzung und durch die große Menge an Solarenergie im Sommer kann eine Stromerzeugung mit Solar- oder Erdwarme sowie Brennstoffzellenabwarme effektiv betrieben werden.
Im Folgenden ist der Arbeitsprozess nochmals anhand der Figur genau erklart:
Tagsüber wird die Wärmemenge Ql mit Hilfe eines Sonnenkollektors bzw. einer Wärmequelle 1 aufgenommen und über Dampfturbinen 4, 14 zum Teil in elektrische Energie Q3 umgewandelt.
Über die Wärmetauscher 2 und 5 wird die restliche Wärmemenge Q2 einem Warmespeicher 6 zugeführt und gespeichert.
Kondensiert wird mit kaltem Wasser (ca. 1 bis 100 Grad Celsius) aus einer Warmesenke bzw. dem Warmespeicher 6.
Bei Nacht verdampft die Restwarmemenge Q2 aus dem Warmespeicher 6 das leicht verdampfende Stoffgemisch in dem Wärmetauschern 2 und 5. Über die Dampfturbinen 4 und 13 erzeugt das Stoffgemisch elektrische Energie Q5.
Die Restwarmemenge Q4 wird über den dann kalten Sonnenkollektor bei Nacht an die Umgebung abgegeben oder in einem Warmespeicher abgeführt bzw. abgekühlt. Eine Wärmemenge Q6 verbleibt bei Bedarf im Wärmespeicher 1 (Solarkollektor) oder 6 zur Warmwassernutzung des Gebäudes bzw. zu Heizzwecken.
Man kann also zwischen einem inneren, sich zwischen den Wärmetauschern und direkt durch die Zirkulation des Mediums 3 definierten Zyklus und einem „Oberzyklus" unterscheiden, der die Verbringung von Energie zwischen der Wärmesenke und der Wärmequelle (ggf. mit gegenläufiger Funktion) unter zu Hilfe- nähme des inneren Zyklus bewirkt.
Die Wärmetauscher 2 und 5 sind im Folgenden nach Ihrer Funktion (Kondensator/Verdampfer bezeichnet) .
Oberzyklus 1 (beispielsweise Tagbetrieb) :
Innerer Zyklus 1:
Anfangs befinden sich in beiden Wärmetauscher (2 und 5) die gleiche Menge an verdampfbarem Stoff oder Stoffgemisch.
Im inneren Zyklus 1 wird ein leicht verdampfbarer Stoff oder Stoffgemisch z.B. H20/NH3 das sich in einem Wärmetauscher bzw. Kondensator 2 befindet über eine Wärmequelle 1 erhitzt, verdampft und überhitzt. Dieser Dampf expandiert zum Teil in einen Hubzylinder 15 (oder auch einen Gasballon) und lässt diesen eine mechanische Bewegung ausführen. Danach wird der Dampf aus dem Hubzylinder 15 und aus dem Wärmetauscher 2 durch die Turbine 4 geleitet, indem Ventil 50 geöffnet wird. Diese Expansion, die große Mengen Dampf transportiert, wird durch Gasballone 16, gefüllt mit einem leicht verdampfbaren Medium (Verdampfungstemperatur ca. 20 - 100 Grad Celsius) unterstützt. D.h. beim Druckabfall und hoher Temperatur dehnen sich die Gasballone 16 aus und treiben das Stoffgemisch H20/NH3 durch die Turbine 4. Durch eine Gegenkraft am Hubzy- linder 15 wird dieser evakuiert und die mechanische Bewegung zurückgeführt .
Der entspannte Dampf aus bzw. nach der Turbine 4 wird in ei- nem abgekühlten Wärmetauscher bzw. Kondensator 5 kondensiert und zwischengespeichert wobei ein Teil des Stoffgemisches wiederum in den Hubkolben 17 (oder auch einen Gasballon) geleitet wird und eine Hubbewegung ausführt.
Jetzt befindet sich eine wesentlich größere Stoffmenge in Wärmetauscher 5 als in Wärmetauscher 2.
Die Wärmetauscher bzw. Kondensatoren 5 und 2 sind nach Skizze mit der Wärmequelle 1 und dem Wärmespeicher 6 verbunden. Die Schaltventile 50 bis 91 gewährleisten die gewünschte Verbindung.
Wärmezuführung über Rohrleitung 8 und Wärmerückführung über Rohrleitung 7.
Die Ventile 60, 61, 80, 81 sind geschlossen und Ventil 70 und 71 geöffnet.
Kältezuführung über Rohrleitung 12 und Kälterückführung über Rohrleitung 11. Ventil 90 und 91 geöffnet.
Druckleitung zur Turbine: Ventil 51 geschlossen und Ventil 50 geöffnet .
Der innere Zyklus 1 arbeitet so lange, bis der Stoff oder
Stoffgemisch im Wärmetauscher bzw. Kondensator 2 zum Großteil verdampft ist und nach öffnen von Ventil 50 ein Druckausgleich und eine Massenverschiebung zwischen den Wärmetauschern stattgefunden hat. Nach dem Druckausgleich wird Ventil 50 geschlossen damit die Stoffmasse nicht zurückströmt. Innerer Zyklus 2:
Nun befindet sich der Großteil des Stoff oder Stoffgemisches im Wärmetauscher bzw. Kondensator 5 in gasförmigen sowie flüssigem und abgekühltem Zustand.
Danach werden durch Ventile die Rohrleitungen so miteinander verbunden, dass die Wärmequelle 1 mit dem Wärmetauscher bzw. Kondensator 5 verbunden wird.
Wärmezuführung über Rohrleitung 10 und Wärmerückführung über Rohrleitung 9.
Ventil 70 und 71 geschlossen und Ventil 80 und 81 geöffnet.
Kältezuführung über Rohrleitung 12 und Kälterückführung über
Rohrleitung 11.
Ventil 90 und 91 geschlossen und Ventil 60 und 61 geöffnet.
Druckleitung zur Turbine: Ventil 50 geschlossen und Ventil 51 nach Aufheizphase geöffnet.
Das leicht verdampfbare Stoff (Medium 3) oder Stoffgemisch z.B. H20/NH3 das sich im Wärmetauscher bzw. Kondensator 5 befindet, wird über eine Wärmequelle 1 im inneren Zyklus 2 erhitzt, verdampft und überhitzt. Dieser Dampf expandiert zum Teil in einen Hubzylinder 17. Danach wird der Dampf aus dem Hubzylinder 17 und aus dem Wärmetauscher 5 durch die Turbine 13 geleitet, indem Ventil 51 geöffnet wird.
Diese Expansion, die große Mengen Dampf transportiert, wird durch Gasballone 16, gefüllt mit einem leicht verdampfbaren Medium (Verdampfungstemperatur ca. 20 - 100 Grad Celsius) unterstützt. D.h. beim Druckabfall und hoher Temperatur dehnen sich die Gasballone 16 aus und treiben das Stoffgemisch
H20/NH3 durch die Turbine 13. Durch eine Gegenkraft am Hubzy- linder 17 wird dieser evakuiert und die mechanische Bewegung zurückgeführt .
Der entspannte Dampf aus bzw. nach der Turbine 13 wird in einem abgekühlten Wärmetauscher bzw. Kondensator 2 kondensiert und zwischengespeichert wobei ein Teil des Stoffgemisches wiederum in den Hubkolben 15 geleitet wird und eine Hubbewegung ausführt.
Der innere Zyklus 2 arbeitet so lange, bis der Stoff oder
Stoffgemisch im Wärmetauscher bzw. Kondensator 5 zum Großteil verdampft ist und nach öffnen von Ventil 51 ein Druckausgleich und eine Massenverschiebung zwischen den Wärmetauschern stattgefunden hat. Nach dem Druckausgleich wird Ventil 51 geschlossen damit die Stoffmasse nicht zurückströmt.
Die beiden Dampfturbinen 4 und 13 sind mechanisch miteinander gekoppelt um einen kontinuierlichen Antrieb des Generators 14 zu gewährleisten. Weiterhin können beliebig viele Ver- dampfungs- bzw. Kondensationseinheiten zur Laufruhe bzw. zur Leistungssteigerung zugeschaltet werden. Zusätzlich kann auch mit Hilfe eines Schwungrades oder ähnlichem die Laufruhe verbessert werden.
Nach innerem Zyklus 2 kommt wieder innerer Zyklus 1 usw.
Erst nach Beendigung der Wärmezufuhr über Wärmequelle 1 wird auf Oberzyklus 2 umgeschaltet.
Oberzyklus 2 (beispielsweise Nachtbetrieb) :
Wärmequelle 1 wird im Folgenden zu Wärmesenke 1.
Wärmespeicher 6 wird im Folgenden zu Wärmequelle 6. Ist der Wärmespeicher 6 gefüllt, wird die Anlage mithilfe von Ventilen (Figur) so umgeschaltet, dass der Wärmespeicher 6 als Wärmequelle und die Bisherige Wärmequelle 1 als Wärmesenke genutzt wird.
Wärmezuführung über Rohrleitung 12 und Wärmerückführung über Rohrleitung 11. Ventil 70, 71, 90 und 91 geschlossen und Ventil 60, 61 geöffnet.
Kältezuführung über Rohrleitung 30 und Kälterückführung über Rohrleitung 31.
Ventil 80 und 81 geöffnet.
Innerer Zyklus 1 :
Der innere Zyklus 1 arbeitet so lange, bis der Stoff oder Stoffgemisch im Wärmetauscher bzw. Kondensator 5 zum Großteil verdampft ist und nach öffnen von Ventil 51 ein Druckausgleich und eine Massenverschiebung zwischen den Wärmetauschern stattgefunden hat. Nach dem Druckausgleich wird Ventil 51 geschlossen damit die Stoffmasse nicht zurückströmt.
Innerer Zyklus 2:
Nun befindet sich das Stoff oder Stoffgemisch im Wärmetauscher bzw. Kondensator 5 in flüssigem und abgekühltem Zustand.
Danach werden durch Ventile die Rohrleitungen so miteinander verbunden, dass die neue Wärmequelle 6 mit dem Wärmetauscher bzw. Kondensator 5 verbunden wird. Wärmezuführung über Rohreitung 12 und Wärmerückführung über Rohrleitung 11. Ventil 60, 61, 80, und 81 geschlossen und Ventil 90 und 91 geöffnet.
Kältezuführung über Rohrleitung 8 und Kälterückführung über Rohrleitung 7. Ventil 60, 61, 80 und 81 geschlossen und Ventil 70 und 71 geöffnet.
Das leicht verdampfbare Stoff oder Stoffgemisch z.B. H20/NH3 das sich im Wärmetauscher bzw. Kondensator 5 befindet, wird über eine Wärmequelle 1 im inneren Zyklus 2 erhitzt, verdampft und überhitzt. Dieser Dampf expandiert zum Teil in einen Hubzylinder 17 (oder auch einen Gasballon) . Danach wird der Dampf aus dem Hubzylinder 17 und aus dem Wärmetauscher 5 durch die Turbine 13 geleitet, indem Ventil 51 geöffnet wird.
Diese Expansion, die große Mengen Dampf transportiert, wird durch Gasballone 16, gefüllt mit einem leicht verdampfbaren Medium (Verdampfungstemperatur ca. 20 - 100 Grad Celsius) un- terstützt. D.h. beim Druckabfall und hoher Temperatur dehnen sich die Gasballone 16 aus und treiben das Stoffgemisch H20/NH3 durch die Turbine 13. Durch eine Gegenkraft am Hubzylinder 17 wird dieser evakuiert und die mechanische Bewegung zurückgeführt .
Der entspannte Dampf aus bzw. nach der Turbine 13 wird in einem abgekühlten Wärmetauscher bzw. Kondensator 2 kondensiert und zwischengespeichert wobei ein Teil des Stoffgemisches wiederum in den Hubkolben 15 geleitet wird und eine Hubbewegung ausführt.
Der innere Zyklus 2 arbeitet so lange, bis der Stoff oder Stoffgemisch im Wärmetauscher bzw. Kondensator 5 zum Großteil verdampft ist und nach öffnen von Ventil 51 ein Druckaus- gleich und eine Massenverschiebung zwischen den Wärmetau- schern stattgefunden hat. Nach dem Druckausgleich wird Ventil 51 geschlossen damit die Stoffmasse nicht zurückströmt.
Nach innerem Zyklus 2 kommt wieder innerer Zyklus 1 usw.
Dies geschieht so lange bis Wärmequelle 6 „leer" ist d.h. Das Temperaturniveau liegt unterhalb ca. 30 Celsius.
Danach tritt automatisch Oberzyklus 1 wieder in Aktion.
Warmesenke 1 wird im Folgenden wieder zu Wärmequelle 1.
Wärmequelle 6 wird im Folgenden wieder zu Warmespeicher 6.
Als Sonnenlichtempfanger (Solarkollektor) 1 oder Wärmequelle 1 können handelsübliche thermische Solarzellen verwendet werden.
Möglich ist auch, dass der Sonnenlichtempfanger 1 wird iso- liert vom Erdboden zur Sonneneinstrahlung bereitgestellt.
Der Sonnenlichtempfanger 1 kann als fester Behalter oder auch als dehnbarer Ballon oder ahnliches Behältnis ausgeführt sein. Der dehnbare Ballon mit dunkler, nichtreflektierender und stark wärmeleitender Außenoberflache (bei Bedarf mit Metallplatten bestuckt), kann bei Sonneneinstrahlung (Druck, Temperatur und Oberflache im Ballon erhohen sich) , mit zunehmender Oberflache eine größere Wärmemenge Ql aufnehmen. Eine Vergrößerung der Oberflache bewirkt eine erhöhte Energieauf- nähme, was wiederum zur Vergrößerung der Oberflache fuhrt, usw. Am Sonnenlichtempfanger befinden sich die Anschlussmog- lichkeiten für den integrierten Wärmetauscher 2 um Flüssigkeiten bzw. Dampfe ein und abzuleiten.
Der Sonnenlichtempfanger 1 ist gegen Überdruck und gegen äußere Einflüsse geschützt aufzubauen. Außerdem sind alle ent- sprechenden Umweltschutzbestimmungen einzuhalten. Auch kann er von einer Art Wintergarten mit Spiegelflächen umgeben sein.
Die Wärmequelle 1 kann in den relativ kühlen Nachtstunden als Wärmesenke 1 benutzt werden, da diese stakt auskühlt an der Luft.
Der Wärme- oder Wasserspeicher 6 ist so dimensioniert, dass mindestens eine Tageswärmeleistung, abzüglich der erzeugten elektrischen Leistung, der Wärmequelle gespeichert werden kann. Da die Solarwärmeleistung übers Jahr sehr stark schwankt, kann der Wärme-, oder Wasserspeicher 6 auch aus mehreren kleinen Speichern bestehen.
Bezugszeichenliste
100 wärmetechnisches Kraftwerk
1 Wärmequelle
2 Wärmetauscher
3 Medium
4 Turbine
5 Wärmetauscher
6 Wärmesenke
6a Energiespeicher
7 Rohrleitung
8 Rohrleitung
9 Rohrleitung
10 Rohrleitung
11 Rohrleitung
13 Turbine
15 Hubzylinder
16 Ballone
17 Hubzylinder
21. 22 Verbindung zwischen den Wärmetauschern
31 Leitungen
14 Stromgenerator
141 mechanische Kopplung
101 KreislaufSteuerung
102 Temperaturfühler
50, 51 Ventile, Sperrventil
60, 61 Ventile
70, 71 Ventile
80 Ventile
90, 91 Ventile

Claims

Patentansprüche
1. Wärmetechnisches Kraftwerk (100), bei dem eine Temperatur- differenz zwischen einer Wärmequelle (1) und einer Wärmesenke
(6) ausgenutzt wird, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass ein innerer geschlossener Kreislauf (2, 21, 5, 22, 13) vorgesehen ist, welcher Kreislauf wenigstens aus zwei zu einem Kreislauf verbundene Wärmetauscher (2, 5) aufweist, durch welche ein Medium (3) zirkulieren kann, das insbesondere thermische Energie aufnehmen zu vermag, wobei die Wärmetauscher (2, 5) jeweils von außen im Inneren gekühlt oder beheizt werden können, wodurch diese wahlweise für das darin zirkulierende Medium (3) als Verdampfer oder als Kondensator arbeiten können, wobei die Wärmequelle (1) und die Wärmesenke (6) jeweils entweder einem ersten Wärmetauscher (2) oder einem zweiten Wär- metauscher (5) zugeordnet werden können, wobei durch den durch die Wärmequelle (1) und die Wärmesenke (6) hervorgerufenen Temperaturunterschied der Wärmetauscher (2, 5) ein Transport vom Medium (3) von einem Wärmetauscher zum anderen erfolgt.
2. Wärmetechnisches Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass das Medium (3) bei den durch die Wärmesenke (6) und die Wärmequelle (1) an den Wärmetauschern (2, 5) vorhandenen Tem- peraturen leicht verdampft und kondensiert werden kann, wobei das Medium (3) insbesondre ein Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoff, oder eine Ammoniak und/oder Methylenchlorid enthaltende Mischung ist.
3. Wärmetechnisches Kraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass ein Sperrventil (50, 51) zur Unterbrechung der Verbin- düng der Wärmetauscher vorgesehen ist.
4. Wärmetechnisches Kraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis
3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass in die Verbindung (21, 22) zwischen den Wärmetauschern (2, 5) wenigstens einen Energiewandler, insbesondere eine Turbine (4, 13) oder ein Hubzylinder (15, 17), zwischengeschaltet ist, die durch den zirkulierenden Massentransport des Mediums (3) im Kreislauf (2, 21, 5, 22, 13) angetrieben ist.
5. Wärmetechnisches Kraftwerk nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass das gasförmige Medium (3) in der Turbine wenigstens an- nähernd isentrop expandiert wird.
6. Wärmetechnisches Kraftwerk nach Anspruch 4 oder 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Turbine (4, 13) mit einer mechanische Arbeit umset- zenden Einrichtung, insbesondere einem Stromgenerator (14), einer Klimaanlage oder einer Wärmepumpe, verbunden ist.
7. Wärmetechnisches Kraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass mit dem Kreislauf ein Gasballon oder Hubzylinder (15, 17), insbesondere an den Wärmetauschern, verbunden ist.
8. Wärmetechnisches Kraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass als Wärmequelle (1) ein Sonnenkollektor, insbesondere mit Vakuum-Röhrenkollektoren („Heat Pipe") oder als dehnbarer Ballon vorgesehen ist.
9. Wärmetechnisches Kraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass als Wärmequelle (1) ein Öl- oder Gasbrenner, ein Erdwärmespeicher oder eine Brennstoffzelle vorgesehen ist.
10. Wärmetechnisches Kraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Warmesenke (6) durch einen Wärmespeicher, insbesondere durch einen Wassertank ausgebildet ist.
11. Wärmetechnisches Kraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass eine Kreislaufsteuerung (101) vorgesehen ist, die mittels Ventile (50, 51, 60, 61, 70, 71, 80, 90, 91) die Auf- schaltung der Wärmesenke (6) oder der Wärmequelle (1) auf den jeweiligen abzukühlenden oder aufzuwärmenden Wärmetauscher (2 oder 5) sowie die zyklische Zirkulation des Mediums (3) im Kreislauf (2, 21, 5, 22, 13) steuert.
12. Wärmetechnisches Kraftwerk nach Anspruch 11, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Kreislaufsteuerung (101) so eingerichtet ist, dass das Medium (3) bis zum Erreichen eines Druckgleichgewichtes oder eines definierten Druckverhältnisses zwischen erstem Wärmetauscher (2) und zweitem Wärmetauscher (5) dem als Kondensator, also dem abkühlenden Wärmetauscher zugeführt wird.
13. Warmetechnisches Kraftwerk nach Anspruch 11 oder 12, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Kreislaufsteuerung (101) so eingerichtet ist, dass die Restenergie im Wärmetauscher (2 oder 5) mit der geringeren Menge an Medium (3) zu einem Energiespeicher (6) transportiert wird.
14. Warmetechnisches Kraftwerk nach Anspruch 11 bis 13, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Kreislaufsteuerung (101) so eingerichtet ist, dass immer derjenige Wärmetauscher (2, 5) als Verdampfer verschaltet wird (beheizt wird) , der aktuell eine größere Menge des Mediums (3) enthalt, als diejenige Menge des Mediums (3) im anderen Wärmetauscher.
15. Warmetechnisches Kraftwerk nach Anspruch 11 bis 14, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Kreislaufsteuerung (101) so eingerichtet ist, dass die Abkühlung desjenigen Wärmetauschers (2 oder 5) mit der kleineren aktuell enthaltenen Menge an Medium (3) dann erfolgt, wenn kein Medium (3) vom einen zum anderen Wärmetauscher (2, 5) transportiert wird.
16. Warmetechnisches Kraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass zur Übertragung der Wärmeenergie in den Wärmetauschern (2, 5) mit einem Ubertragungsmittel gefüllte Leitungen (31) vorgesehen sind, die durch diese Leitungen (31) und durch die Wärmequelle (1) und/oder die Warmesenke (6) zum weiteren Wärmeaustausch zirkulieren.
17. Wärmetechnisches Kraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Abkühlung im Wärmetauscher (2 oder 5) polytrop erfolgt .
18. Wärmetechnisches Kraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Wärmezufuhr im Wärmetauscher (2 oder 5) polytrop.
19. Wärmetechnisches Kraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass mehrere Wärmequellen (1) wie Sonnenkollektoren, geo- thermische Wärmequellen, Brennstoffzellen und Gas- und/oder Öl-Brenner vorgesehen sind.
20. Wärmetechnisches Kraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass mehrere parallel arbeitende Kreisläufe mit Wärmetau- schern und Turbine/n und/oder Hubzylindern und/oder Gasballonen zwischen der Wärmequelle (1) und der Wärmesenke (6) vorgesehen sind.
21. Wärmetechnisches Kraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass mehrere Kreisläufe mit Wärmetauschern und Turbine/n und/oder Hubzylindern und/oder Gasballonen vorgesehen sind, welche unterschiedliche Medien für unterschiedliche Tempera- turniveaus beinhalten.
22. Wärmetechnisches Kraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass in den Wärmtauschern (2, 5) mit zu verdampfender Flüssigkeit gefüllte Gasballone (16) eingebracht sind.
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