WO2010063817A2 - Device and method for compacting or compressing a gas - Google Patents
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Definitions
- the compression of gases is used in heat pumps.
- working means with high compression end pressures and / or high pressure ratios are used.
- working agents are in particular carbon dioxide or ammonia.
- the compression of gases in a compressor unit is used for energy storage, as is the case for example in compressed air reservoirs.
- Another application of gas compression is isothermal compression, which requires separation or removal of the heat of compression.
- gases are compressed which pose a risk of explosion.
- the invention is based on the expansion or compression of gases by volume displacement with the aid of a hydraulic fluid, which undergoes an energy supply due to a pressure increase in the case of compression by a hydraulic pump or in the case of expansion by a hydraulic motor energy removal due to a pressure drop.
- An adiabatic cylinder is here understood to mean a cylinder which has no or the lowest possible heat exchange with the environment. This can be achieved by insulating the cylinders. In the cylinders, the working gas temperature can be limited by introducing heat exchangers.
- any pressure conditions can be selected taking into account the operating points of the hydraulic pump or hydraulic motor. Very good machine efficiencies of 90 to 95% are achieved.
- the invention is directed to a device for compressing the gaseous working fluid, in which
- the control of the first, second, third and fourth valves and the three-way valves can be effected via a control unit.
- the second conduit in which relaxed gaseous working fluid flows, is connected via a hydraulic pump to the first conduit, in which the expanded gaseous working fluid is compressed, so that the gaseous working fluid is recirculated.
- the inventive method is preferably carried out with the device according to the invention.
- the first step in which the hydraulic fluid from the second adiabatic cylinder is fed into the first adiabatic cylinder, i) the gaseous working fluid in the first adiabatic cylinder is compressed to a predetermined pressure, as soon as the gaseous working fluid has reached the predetermined pressure, the first valve opens, so that the compressed gaseous working fluid isobarically flows into the first conduit; and (ii) the pressure in the second adiabatic cylinder decreases to a predetermined value, and as soon as the predetermined pressure in the second adiabatic cylinder is reached, the fourth valve opens so that expanded gaseous working fluid flows into the second adiabatic cylinder; and
- the first line in which compressed gaseous working fluid flows
- the second line (2) in which the compressed gaseous working fluid is expanded, so that the working fluid is recirculated.
- the first adiabatic cylinder is connected via a second valve and a second three-way valve to a second line, can flow into the relaxed gaseous working fluid from the first adiabatic cylinder;
- the second adiabatic cylinder is connected via a fourth valve and the second three-way valve is connected to the second line, into which relaxed gaseous working fluid can flow into the second adiabatic cylinder;
- the means for dissipating energy is a hydraulic motor which reduces the pressure of the hydraulic fluid passing through the hydraulic motor;
- FIG. 3 shows a third embodiment of an arrangement according to the invention for the isothermal compression of a gas
- Example 1 The arrangement for compressing a gas shown in Fig. 1 is a compressor of a heat pump with the refrigerant carbon dioxide (R744, CO 2 ) and a hydraulic axial piston pump (manufactured by Danfoss, DE), which as hydraulic fluid (Hf) water used.
- the first cylinder and the second cylinder have the same internal volume. Open or close the check valves if there is a pressure difference between the components between which they are installed. When changing the flow, due to the two 3-way valves, close the check valves, since the pressure difference collapses.
- Step 2b At the same time as step 2a falls in the first cylinder 8, however, the pressure. As soon as the pressure in the second cylinder has reached 37.7 bar, the fourth check valve 5 opens and allows CO 2 to flow from the suction line 2 into the cylinder 8. As soon as the second cylinder 7 is completely filled with CO 2 , the two 3-way valves 9 and 10 change the flow direction of the hydraulic fluid, so that now the water flows from the second cylinder 7 via the hydraulic pump 11 to the first cylinder 8.
- Step 1a In a first cylinder 8, which is completely filled with air, cooled hydraulic fluid flows via nozzle 27 via heat exchanger 25 (see step Ib) compresses the air there until a first predetermined pressure builds up.
- the heat of compression is absorbed by the sprayed by means of nozzle 27 hydraulic fluid.
- the hydraulic fluid heats up slightly, while the air only absorbs and stores the proportion of pressure energy and absorbs only a very small part of the heat of compression.
- the pressure in the second cylinder 7 decreases to the second predetermined pressure, which is lower than the first predetermined pressure.
- the second check valve 4 opens and allows air from the suction line (Sl) 2 to flow into the first cylinder 7.
- valve 203 closes and an isothermal expansion continues by supplying heat from the heat source 213.
- container 208 is completely filled with hydraulic fluid, the valves 209 to 212 are switched over, the valve 205 is closed and the valve 206 is opened.
- step 1 The continuous mechanical work is converted by the generator 216 into electrical energy.
- the containers 301 and 303 are filled with a carbon dioxide mass of 64 kg, while the containers 302 and 4 are filled with only 13 kg.
- the inner volumes of all containers 301 to 304 are the same size and are at 0.1 m 3 .
- the pressure and temperature of all containers are the same size, the pressure is adjusted depending on the temperature. Since the containers have a temperature of 15 0 C, prevails in all a pressure of 50 bar.
- the valves 309 to 312 are all in position A-> B, so that the container initially have no connection with each other and have a self-contained volume.
- the valves 316 and 317 are open in position C- A, thus waste heat at a temperature of 60 0 C from the waste heat source 324 passes through the heat exchanger 305 in the container 301. It comes to heating of the carbon dioxide and increase the tank pressure to 160 bar, by isochoric state change (Z ⁇ ). At the same time, the valves 322 and 323 in position A-> B and let flow from the heat sink 325 water at a temperature of 10 0 C through the heat exchanger 308. Due to the cooling of the heat exchanger 308, condensation occurs in container 304, whereby a vapor pressure in the container of 45 bar occurs. This pressure difference between containers 301 and 304 is now released by switching valves 309 and 312.
- the carbon dioxide flows from container 301 through the heat exchanger 315, where it is optionally supercooled, in the hydraulic motor 313. In it comes to relax on the condensation pressure which prevails in the container 304.
- the expanded carbon dioxide is then passed into the container 304 and fills it. By continuous intake while relaxing In the container 301 by heat, this is maintained at a temperature of 60 0 C, thereby resulting in isothermal relaxation.
- the container 304 is also continuously cooled with the heat sink 325.
- valves 310 and 311 go to position A-> B and close the tanks again, while valves 309 and 312 go to positions C- ⁇ A and C- B, respectively.
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Abstract
Description
Beschreibung description
Vorrichtung und Verfahren zur Verdichtung oder Kompression eines GasesApparatus and method for compressing or compressing a gas
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Verdichtung oder Kompression eines gasförmigen Arbeitsmittels. Sie betrifft ferner ein Verfahren zur Verdichtung oder Kompression eines gasförmigen Arbeitsmittels.The invention relates to an arrangement for compression or compression of a gaseous working fluid. It further relates to a method for compressing or compressing a gaseous working fluid.
Die Kompression oder Expansion von Gasen hat in der Energiewirtschaft eine bereite Anwendung gefunden. Beispielsweise wird die Expansion von Gasen in Verfahren zur Erzeugung von elektrischer oder mechanischer Energie aus anderen Energieformen wie beispielsweise Wärmeenergie verwendet. Bei sogenannten ORC -Prozessen (OCR = Organic Rankine Cycle), wird Wärmeenergie mittels eines gasförmigen oder flüssigen Arbeitsmittels, mit Ausnahme von Wasser, in elektrische Energie umge- wandelt.The compression or expansion of gases has found a ready application in the energy industry. For example, the expansion of gases is used in processes for generating electrical or mechanical energy from other forms of energy, such as thermal energy. In so-called ORC processes (OCR = Organic Rankine Cycle), heat energy is converted into electrical energy by means of a gaseous or liquid working medium, with the exception of water.
Die Kompression von Gasen findet hingegen in Wärmepumpen Anwendung. In den Verdichtereinheiten der Wärmepumpen werden unter anderem Arbeitsmittel mit hohen Verdichtungsenddrücken und/oder großen Druckverhältnissen eingesetzt. Derar- tige Arbeitsmittel sind insbesondere Kohlendioxid oder Ammoniak. Ferner wird die Kompression von Gasen in einer Verdichtereinheit zur Energiespeicherung genutzt, wie dies beispielsweise in Druckluftspeichern der Fall ist. Ein weiteres Anwendungsgebiet der Kompression von Gasen ist die isotherme Verdichtung, bei der Trennung oder Abfuhr der Kompressionswärme erforderlich ist. Überdies werden Gase kom- primiert, bei denen eine Explosionsgefährdung besteht.In contrast, the compression of gases is used in heat pumps. In the compressor units of the heat pumps, among other things, working means with high compression end pressures and / or high pressure ratios are used. Such working agents are in particular carbon dioxide or ammonia. Furthermore, the compression of gases in a compressor unit is used for energy storage, as is the case for example in compressed air reservoirs. Another application of gas compression is isothermal compression, which requires separation or removal of the heat of compression. In addition, gases are compressed which pose a risk of explosion.
Zur Kompression von Gasen werden im Bereich von kleinen bis mittleren Leistungen vorwiegend Roll- und Hubkolbenverdichter eingesetzt, während im Bereich von mittleren bis großen Leistungen Schrauben- oder Turbomaschinen verwendet werden.For the compression of gases in the range of small to medium power mainly roll and reciprocating compressors are used, while in the range of medium to large powers screw or turbomachinery are used.
Bei der Expansion von Gasen werden - insbesondere für OCR-Prozesse - im mittleren Leistungsbereich vorwiegend Hub- oder Drehkolbenmotoren und im großen Lei- stungsbereich Turbo- oder Schraubenverdichter eingesetzt. Hingegen sind im kleinen Leistungsbereich, kleiner 10 kW elektrisch, bisher keine wirtschaftlichen Anlagen gebaut worden, bei denen ein ORC-Prozeß angewendet werden konnte. Lediglich auf Basis des Stirlingmotors wurden sogenannte „Mini-Blockheizkraftwerke" gebaut.In the expansion of gases - especially for OCR processes - in the medium power range predominantly reciprocating or rotary piston engines and in large scale turbo or screw compressor. By contrast, in the small power range, less than 10 kW electrical, so far no economic facilities have been built, where an ORC process could be applied. Only on the basis of the Stirling engine so-called "mini combined heat and power plants" were built.
Die zur Kompression eingesetzten Vorrichtungen weisen jedoch gewisse Nachteile auf. Bei diesen Maschinen wird aufwendig mechanisch eine Volumenverdrängung durch Kolben erreicht, wozu oftmals der Einsatz von Schmieröl notwendig ist, um zum einen die Mechanik zu schonen und zum anderen eine bessere Dichtheit zwi- sehen Kolben und Zylinderwand zu erreichen. Dies führt zu unnötigen Energieverlusten und Umweltbelastungen und macht solche Verdichter aufwendig und kostenintensiv. Selten erreichen diese Verdichterbauarten einen isentropen Wirkungsgrad von mehr als 75 %.However, the devices used for compression have certain disadvantages. In these machines, a volume displacement by pistons is achieved mechanically, which often requires the use of lubricating oil, on the one hand to protect the mechanics and, on the other hand, better sealing between the piston and the cylinder wall. This leads to unnecessary energy losses and environmental pollution and makes such compressor consuming and costly. Rarely, these types of compressor achieve an isentropic efficiency of more than 75%.
Eine Ausnahme stellen allerdings Membran- und Turboverdichter dar. Beim Membranverdichter wird eine Membran mechanisch oder hydraulisch angetrieben, welche dann die Volumenverdrängung des Gases hervorruft. Diese Verdichter benötigen kein Schmieröl zur Abdichtung und erreichen durchaus isentrope Wirkungsgrade von 90 %. Bei Turboverdichtern wird das zu komprimierende Gas durch ein Schaufelrad beschleunigt und anschließend in einem Diffusor die kinetische Energie in Druck umgewandelt. Dabei kommt selten der Einsatz von Schmieröl vor. Allerdings benötigen die Schaufelräder sehr hohe Drehzahlen, um auf annehmbare Wirkungsgrade zu kommen. Ferner müssen große Volumenströme gefördert werden, was wiederum den Einsatz solcher Maschinen auf große Leistungen einschränkt.However, membrane and turbo compressors are an exception. In membrane compressors, a membrane is driven mechanically or hydraulically, which then causes the volume displacement of the gas. These compressors do not require a lubricating oil for sealing and achieve isentropic efficiencies of 90%. In turbocompressors, the gas to be compressed is accelerated by a paddle wheel and then the kinetic energy is converted into pressure in a diffuser. It is rare for the use of lubricating oil. However, the paddle wheels require very high speeds in order to achieve acceptable efficiencies. Furthermore, large volume flows must be promoted, which in turn limits the use of such machines to high performance.
Auch die zur Expansion von Gasen bisher verwendeten Vorrichtungen weisen verschiedene Nachteile auf. Die im kleinen Leistungsbereich eingesetzten Stirling- Blockheizkraftwerke haben zwar gute Wirkungsgrade, allerdings ist bei diesen Anlagen die Leistungsdichte gerade im Niedertemperaturbereich verhältnismäßig schlecht. Aus diesem Grund sind derartige Anlagen oft groß und teuer, was sich wiederum negativ auf deren Wirtschaftlichkeit auswirkt. Bei ORC-Prozessen werden bedingt durch die Turbo- bzw. Schraubenverdichter nur wirtschaftliche Anlagen im mittleren und großen Leistungsbereich betrieben. Dies gilt ebenso bei der Kompression.The devices used so far for the expansion of gases also have various disadvantages. Although the Stirling cogeneration units used in the small power range have good efficiencies, the power density is relatively poor in these systems, especially in the low temperature range. For this reason, such systems are often large and expensive, which in turn has a negative impact on their efficiency. ORC processes are conditional operated by the turbo or screw compressor only economical systems in the medium and large power range. This also applies to compression.
Ein weiteres Problem ist die Verstromung von lokal anfallender Niedertemperatur- wärme von Industriegebieten, aber auch die lokale Verstromung von Solarthermie an Neu- oder Bestandsanlagen. Nach dem Stand der Technik wird die anfallende Niedertemperaturwärme durch ORC -Prozesse oder Thermoelemente aufwendig und zum Teil unwirtschaftlich in elektrische Energie umgewandelt. Insbesondere die isentrope Entspannung bei ORC-Prozessen führt zur einer weiteren exergetischen Abwertung der Wärme. Eine Ausnahme stellen Stirlingmaschinen dar, die niedertemperierte Wärme technisch recht einfach in elektrische Energie umwandeln können. Allerdings benötigen diese große Arbeitsvolumina, um einigermaßen akzeptable Leistungen abzugeben. Dies führt jedoch dazu, dass thermodynamisch bedingt deren Wirkungsgrad stark abfällt.Another problem is the generation of electricity from locally generated low-temperature heat in industrial areas, but also the local generation of solar thermal energy from new or existing plants. According to the prior art, the resulting low-temperature heat by ORC processes or thermocouples consuming and partly uneconomical converted into electrical energy. In particular, the isentropic relaxation in ORC processes leads to a further exergetic devaluation of heat. An exception are Stirling machines, which are technically quite easy to convert low-temperature heat into electrical energy. However, these require large volumes of work to deliver reasonably acceptable benefits. However, this leads to a thermodynamic condition whose efficiency drops sharply.
Aus US 2,772,543 ist eine Vorrichtung bekannt, die ein Gas zur Kälteerzeugung von mobiler Kälte durch eine Hydraulikpumpe komprimiert. Nachteil dieser Vorrichtung ist die hydraulische Verschaltung, so dass die zyklische Kompression durch Umschalten der Strömungsrichtung an der Hydraulikpumpe erfolgt. Dadurch ergeben sich er- hebliche Probleme im System. Durch Umschalten der Strömungsrichtung entsteht in Folge des Stillstandes der Pumpe eine Totzeit, in der kein Arbeitsmedium gefördert werden kann. Um dies zu kompensieren, müssen Komponenten wie beispielsweise Zylinder und Pumpe überdimensioniert werden. Weiterhin müssen große Gaspuffer in die Saug- bzw. Druckleitung eingebracht werden, um ein Pulsieren und starke Regel- Schwankungen an den Ventilen zu umgehen.From US 2,772,543 a device is known which compresses a gas for refrigeration of mobile cold by a hydraulic pump. Disadvantage of this device is the hydraulic connection, so that the cyclic compression takes place by switching the flow direction to the hydraulic pump. This results in considerable problems in the system. By switching the flow direction arises as a result of the stoppage of the pump, a dead time in which no working fluid can be promoted. To compensate for this, components such as cylinder and pump must be oversized. Furthermore, large gas buffers must be introduced into the suction or pressure line in order to avoid pulsation and high control fluctuations on the valves.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere eine Vorrichtung zur Kompression bzw. Expansion eines Gases angegeben werden, die einen hohen Wirkungsgrad aufweist, kostengünstig rea- lisiert werden kann und eine wirtschaftlich Anwendung insbesondere bei ORC- Prozessen in Anlagen mit kleinen und mittleren Leistungen im Niedertemperaturbe- reich ermöglicht. Ferner soll ein Verfahren zur Kompression bzw. Expansion eines Gases angegeben werden. Schließlich sollen ein Verfahren und ein System angegeben werden, dass die bisher unzureichende Umwandlung von Niedertemperaturwärme in elektrische oder mechanische Arbeit beseitigt.The object of the invention is to eliminate the disadvantages of the prior art. In particular, an apparatus for compression or expansion of a gas is to be specified, which has a high degree of efficiency, can be realized cost-effectively, and an economical application, in particular in the case of ORC processes in installations with low and medium outputs in the low-temperature range. rich allows. Furthermore, a method for compression or expansion of a gas is to be specified. Finally, a method and a system are to be specified, which eliminates the hitherto insufficient conversion of low-temperature heat into electrical or mechanical work.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 8 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindungen ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 7 und 9 bis 15.This object is solved by the features of claims 1 and 8. Advantageous embodiments of the invention will become apparent from the features of claims 2 to 7 and 9 to 15.
Nach Maßgabe der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Verdichtung oder Entspannung eines gasförmigen Arbeitsmittels mittels einer Hydraulikflüssigkeit, umfassend einen ersten adiabaten Zylinder und einen zweiten adiabaten Zylinder, der mit dem ersten Zylinder über eine Einrichtung zur Zufuhr oder Abfuhr von Energie hydraulisch ver- bunden ist, vorgesehen, wobeiAccording to the invention, a device for compressing or relaxing a gaseous working fluid by means of a hydraulic fluid, comprising a first adiabatic cylinder and a second adiabatic cylinder, which is hydraulically connected to the first cylinder via a device for supplying or dissipating energy, is provided , in which
(a) sich in einem ersten Zustand das gasförmige Arbeitsmittel in dem ersten adiabaten Zylinder befindet und sich die Hydraulikflüssigkeit in dem zweiten adiabaten Zylinder befindet;(a) in a first state, the gaseous working fluid is in the first adiabatic cylinder and the hydraulic fluid is in the second adiabatic cylinder;
(b) in einem ersten Schritt die Hydraulikflüssigkeit aus dem zweiten adiabaten Zylinder in den ersten adiabaten Zylinder geführt wird, wobei die Hydraulikflüssigkeit die Einrichtung zur Zufuhr oder Abfuhr von Energie passiert;(B) in a first step, the hydraulic fluid from the second adiabatic cylinder is guided in the first adiabatic cylinder, wherein the hydraulic fluid passes through the means for supplying or dissipating energy;
(c) sich in einem zweiten Zustand das gasförmige Arbeitsmittel in dem zweiten adiabaten Zylinder befindet und sich die Hydraulikflüssigkeit in dem ersten adiabaten Zylinder befindet;(c) in a second state, the gaseous working fluid is in the second adiabatic cylinder and the hydraulic fluid is in the first adiabatic cylinder;
(d) in einem zweiten Schritt die Hydraulikflüssigkeit aus dem ersten adiabaten Zylin- der in den zweiten adiabaten Zylinder geführt wird, wobei die Hydraulikflüssigkeit die Einrichtung zur Zufuhr oder Abfuhr von Energie passiert; und (e) der erste Schritt (b) unter Erreichen des zweiten Zustandes und anschließend der zweite Schritt (d) unter Erreichen des ersten Zustandes wiederholt ausgeführt werden.(D) in a second step, the hydraulic fluid from the first adiabatic cylinder in the second adiabatic cylinder is guided, wherein the hydraulic fluid passes through the means for supplying or dissipating energy; and (E) the first step (b) upon reaching the second state and then the second step (d) are repeatedly executed upon reaching the first state.
Die Vorrichtung weist vorzugsweise zumindest ein Dreiwegeventil auf, das in der hydraulischen Verbindung zwischen dem ersten adiabaten Zylinder und dem zweiten adiabaten Zylinder angeordnet ist. Mittels des zumindest einen Dreiwegeventils kann die Strömungsrichtung der Hydraulikflüssigkeit bestimmt werden. Besonders bevorzugt sind zwei Dreiwegeventile vorgesehen, die in der hydraulischen Verbindung zwischen dem ersten adiabaten Zylinder und dem zweiten adiabaten Zylinder angeordnet sind.The device preferably comprises at least one three-way valve arranged in the hydraulic connection between the first adiabatic cylinder and the second adiabatic cylinder. By means of the at least one three-way valve, the flow direction of the hydraulic fluid can be determined. Particularly preferably, two three-way valves are provided, which are arranged in the hydraulic connection between the first adiabatic cylinder and the second adiabatic cylinder.
Durch die Einbringung von Dreiwegeventilen ist eine Umschaltung der Strömungsrichtung an der Pumpe nicht erforderlich. Damit werden ein Stillstand der Pumpe und damit eine Totzeit, in der kein Arbeitsmedium gefördert werden kann, vermieden. Im Vergleich zu US 2,772,543 können die Zylinder wesentlich kleiner dimensioniert werden, da eine kontinuierliche Kompression des Gases stattfindet und somit eine fortwährende Leistungsabgabe der Pumpe gewährt ist. Infolge dessen treten weit weniger starke Massestromschwankungen auf. Daraus ergeben sich wesentlich größere technische Möglichkeiten. Demnach ist die Erfindung aus technischer sowie wirtschaftlicher Sichtweise der Vorrichtung aus US 2,772,543 überlegen.By the introduction of three-way valves, a changeover of the flow direction at the pump is not required. Thus, a standstill of the pump and thus a dead time in which no working fluid can be promoted avoided. In comparison to US Pat. No. 2,772,543, the cylinders can be dimensioned substantially smaller, since a continuous compression of the gas takes place and thus a sustained output of the pump is granted. As a result, far less severe mass flow fluctuations occur. This results in much greater technical possibilities. Accordingly, the invention is superior to the device of US 2,772,543 from a technical as well as economical point of view.
Die Erfindung beruht auf der Expansion oder Kompression von Gasen durch Volumenverdrängung mit Hilfe einer Hydraulikflüssigkeit, die im Falle der Kompression durch eine Hydraulikpumpe eine Energiezufuhr infolge einer Druckerhöhung oder im Fall der Expansion durch einen Hydraulikmotor eine Energieabfuhr infolge einer Druckabsenkung erfährt.The invention is based on the expansion or compression of gases by volume displacement with the aid of a hydraulic fluid, which undergoes an energy supply due to a pressure increase in the case of compression by a hydraulic pump or in the case of expansion by a hydraulic motor energy removal due to a pressure drop.
Das gasförmige Arbeitsmittel ist vorzugsweise ein technisches Gas, beispielsweise Kohlendioxid, Sauerstoff, Luft, Stickstoff, Argon, Ammoniak, Helium, Propan, Wasserstoff und/oder Distickstoffmonoxid. Bevorzugte gasförmige Arbeitsmittel sind Sauerstoff, Luft, Stickstoff und Kohlendioxid. Ein besonders bevorzugtes gasförmiges Arbeitsmittel ist Kohlendioxid. Das gasförmige Arbeitsmittel wird im folgenden auch als Gas bezeichnet.The gaseous working fluid is preferably a technical gas, for example carbon dioxide, oxygen, air, nitrogen, argon, ammonia, helium, propane, hydrogen and / or nitrous oxide. Preferred gaseous working agents are Oxygen, air, nitrogen and carbon dioxide. A particularly preferred gaseous working fluid is carbon dioxide. The gaseous working fluid is also referred to below as gas.
Die Hydraulikflüssigkeit ist vorzugsweise Wasser. Der erste und zweite Zylinder haben vorzugsweise gleiche Innenvolumina.The hydraulic fluid is preferably water. The first and second cylinders preferably have the same inner volumes.
Es kann vorgesehen sein, daß in den adiabaten Zylindern die Hydraulikflüssigkeit und das gasförmige Arbeitsmittel voneinander getrennt sind, um das Lösen des gasförmi- gen Arbeitsmittels in der Hydraulikflüssigkeit zu verhindern. Für diese Trennung kann in den Zylindern jeweils ein Trennelement, beispielsweise ein Kolben oder eine Membran, vorgesehen sein. Das Trennelement, das das gasförmige Arbeitsmittel vollständig von der Hydraulikflüssigkeit trennt, ist in dem Zylinder entlang der Längsachse beweglich, so daß sich dessen Position in Abhängigkeit von den Druckverhältnis- sen im Zylinder verändern kann.It can be provided that in the adiabatic cylinders, the hydraulic fluid and the gaseous working fluid are separated from one another in order to prevent the release of the gaseous working fluid in the hydraulic fluid. For this separation, a separating element, for example a piston or a membrane, can be provided in each of the cylinders. The separating element, which completely separates the gaseous working fluid from the hydraulic fluid, is movable in the cylinder along the longitudinal axis, so that its position may change depending on the pressure ratios in the cylinder.
Unter einem adiabaten Zylinder wird hier ein Zylinder verstanden, der keinen oder einen möglichst geringen Wärmeaustausch mit der Umgebung aufweist. Dies kann durch eine Isolierung der Zylinder erreicht werden. In den Zylindern kann die Ar- beitsgastemperatur durch Einbringung von Wärmeübertragern begrenzt werden.An adiabatic cylinder is here understood to mean a cylinder which has no or the lowest possible heat exchange with the environment. This can be achieved by insulating the cylinders. In the cylinders, the working gas temperature can be limited by introducing heat exchangers.
Unter einem der Zylinder ist nicht zwingend ein geometrischer Zylinder zu verstehen. Vielmehr kann es sich bei einem Zylinder auch um einen Behälter mit beliebiger Form handeln, solange er die Hydraulikflüssigkeit und/oder das gasförmige Arbeits- mittel aufnehmen kann.Under one of the cylinders is not necessarily a geometric cylinder to understand. Rather, a cylinder can also be a container of any desired shape as long as it can receive the hydraulic fluid and / or the gaseous working fluid.
Die Begriffe „Kompression" und „Verdichtung" werden hier synonym verwendet. Ebenso werden die Begriffe „Expansion" und „Entspannung" synonym verwendet.The terms "compression" and "compression" are used synonymously here. Similarly, the terms "expansion" and "relaxation" are used interchangeably.
Unter einem vollständig gefüllten Zylinder wird ein Zylinder verstanden, der entweder vollständig oder zumindest zu 98 % mit dem gasförmigen Arbeitsmittel oder der Hydraulikflüssigkeit bei einer vorgegebenen Temperatur und einem vorgegebenen Druck gefüllt ist.A completely filled cylinder is understood to mean a cylinder which is either completely or at least 98% with the gaseous working medium or the Hydraulic fluid is filled at a predetermined temperature and a predetermined pressure.
Die Vorrichtung weist einen vergleichsweise einfachen Aufbau auf, da alle verwende - ten Komponenten Massenartikel und demnach kostengünstig beschaffbar sind. Ferner ist ein einfacher Umbau von der Vorrichtung zur Expansion eines Gases (= Expansionsmaschine) zur Vorrichtung zur Verdichtung eines Gases (= Kompressionsmaschine) oder umgekehrt möglich.The device has a comparatively simple structure, since all the components used are mass-produced and therefore cost-effective to procure. Furthermore, a simple conversion from the device for expansion of a gas (= expansion machine) to the device for compressing a gas (= compression machine) or vice versa is possible.
Bei Anwendung von Wasserhydraulik wird eine Belastung durch Öl oder andere Schmier- und Arbeitstoffe vermieden. Mittels der Dimensionierung der beiden Zylinder sind unter Beachtung der Arbeitspunkte von Hydraulikpumpe bzw. Hydraulikmotor beliebige Druckverhältnisse wählbar. Es werden sehr gute maschinelle Wirkungsgrade von 90 bis 95 % erreicht.Using water hydraulics avoids exposure to oil or other lubricants and working materials. By means of the dimensioning of the two cylinders, any pressure conditions can be selected taking into account the operating points of the hydraulic pump or hydraulic motor. Very good machine efficiencies of 90 to 95% are achieved.
Die Erfindung ermöglicht erstmals eine wirtschaftliche Anwendung der Expansion von Gasen bei ORC-Prozessen mit kleiner und mittlerer Leistung im Niedertemperaturbereich (>= 200 0C) bei Verwendung von Kohlendioxid (R744) als Arbeitsmittel. Unter kleiner Leistung werden hier < 50 kW elektrisch, unter mittlerer Leistung : 51 kW > Leistung elektrisch < 500 kW verstanden.The invention allows for the first time an economic application of the expansion of gases in ORC processes with low and medium power in the low temperature range (> = 200 0 C) when using carbon dioxide (R744) as a working fluid. Under low power here <50 kW electric, under average power: 51 kW> Electric power <500 kW understood.
Vorrichtung zur Verdichtung eines Gases (Kompressionsmaschine) In einer Ausführungsform ist die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Verdichtung des gasförmigen Arbeitsmittels gerichtet, bei derDevice for compressing a gas (compression machine) In one embodiment, the invention is directed to a device for compressing the gaseous working fluid, in which
- der erste adiabate Zylinder über ein erstes Ventil mit einer ersten Leitung verbunden ist, in die verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel aus dem ersten adiabaten Zylinder strömen kann (die erste Leitung wird im Zusammenhang mit der Verdichtung eines Gases auch als Druckleitung bezeichnet); - der erste adiabate Zylinder über ein zweites Ventil mit einer zweiten Leitung verbunden ist, aus der entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel in den ersten adiabaten Zylinder strömen kann (die zweite Leitung wird im Zusammenhang mit der Verdichtung eines Gases auch als Saugleitung bezeichnet);the first adiabatic cylinder is connected via a first valve to a first conduit into which compressed gaseous working fluid can flow from the first adiabatic cylinder (the first conduit is also referred to as a pressure conduit in connection with the compression of a gas); - The first adiabatic cylinder is connected via a second valve to a second line from which relaxed gaseous working fluid in the first adiabatic cylinder can flow (the second conduit is also referred to as suction in connection with the compression of a gas);
- der zweite adiabate Zylinder über ein drittes Ventil mit der ersten Leitung (Druckleitung) verbunden ist, in die verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel aus dem zweiten adiabaten Zylinder (7) strömen kann;- The second adiabatic cylinder is connected via a third valve to the first line (pressure line), in the compressed gaseous working fluid from the second adiabatic cylinder (7) can flow;
- der zweite adiabate Zylinder über ein viertes Ventil mit der zweiten Leitung (Saugleitung) verbunden ist, aus der entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel in den zweiten adiabaten Zylinder strömen kann;- The second adiabatic cylinder is connected via a fourth valve to the second line (suction line), can flow from the relaxed gaseous working fluid in the second adiabatic cylinder;
- die Einrichtung zur Zufuhr von Energie eine Hydraulikpumpe ist, die den Druck der Hydraulikflüssigkeit, die die Hydraulikpumpe passiert, erhöht;the means for supplying energy is a hydraulic pump which increases the pressure of the hydraulic fluid passing through the hydraulic pump;
wobeiin which
- in dem ersten Zustand und dem zweiten Zustand das erste, zweite, dritte und vierte Ventil der beiden Zylinder geschlossen ist;- In the first state and the second state, the first, second, third and fourth valve of the two cylinders is closed;
- in dem ersten Schritt, in dem die Hydraulikflüssigkeit aus dem zweiten adiabaten Zylinder in den ersten adiabaten Zylinder geführt wird, (i) das gasförmige Arbeitsmittel in dem ersten adiabaten Zylinder (8) auf einen vorgegebenen Druck verdichtet wird, wobei sich, sobald das gasförmige Arbeitsmittel den vorgegebenen Druck erreicht hat, das erste Ventil öffnet, so daß das verdichtete gasförmige Arbeitsmittel i- sobar in die erste Leitung (Druckleitung) strömt; und (ii) der Druck in dem zweiten adiabaten Zylinder auf einen vorgegebenen Wert sinkt, wobei sich, sobald der vorgegebene Druck in dem zweiten adiabaten Zylinder erreicht ist, das vierte Ventil öffnet, so daß entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel aus der zweiten Leitung (Saugleitung) in den zweiten adiabaten Zylinder strömt; und - in dem zweiten Schritt, in dem die Hydraulikflüssigkeit aus dem ersten adiabaten Zylinder in den zweiten adiabaten Zylinder geführt wird, (i) das gasförmige Arbeitsmittel in dem zweiten adiabaten Zylinder auf einen vorgegebenen Druck verdichtet wird, wobei sich, sobald das gasförmige Arbeitsmittel den vorgegebenen Druck erreicht hat, das dritte Ventil öffnet, so daß das verdichtete gasförmige Arbeitsmittel isobar in die erste Leitung (Druckleitung) strömt; und (ii) der Druck in dem ersten adiabaten Zylinder auf einen vorgegebenen Wert sinkt, wobei sich, sobald der vorgegebene Druck in dem ersten adiabaten Zylinder erreicht ist, das zweite Ventil öffnet, so daß entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel aus der zweiten Leitung (Saugleitung) in den ersten adiabaten Zylinder strömt.in the first step, in which the hydraulic fluid from the second adiabatic cylinder is fed into the first adiabatic cylinder, i) the gaseous working fluid in the first adiabatic cylinder 8 is compressed to a predetermined pressure, as soon as the gaseous Working fluid has reached the predetermined pressure, the first valve opens, so that the compressed gaseous working fluid i- sobar flows into the first line (pressure line); and (ii) the pressure in the second adiabatic cylinder decreases to a predetermined value, and as soon as the predetermined pressure in the second adiabatic cylinder is reached, the fourth valve opens so that expanded gaseous working fluid from the second conduit (suction conduit) enters the second adiabatic cylinder flows; and - In the second step, in which the hydraulic fluid from the first adiabatic cylinder is fed into the second adiabatic cylinder, (i) the gaseous working fluid in the second adiabatic cylinder is compressed to a predetermined pressure, as soon as the gaseous working fluid exceeds the predetermined Pressure has reached, the third valve opens, so that the compressed gaseous working fluid isobarically flows into the first line (pressure line); and (ii) the pressure in the first adiabatic cylinder decreases to a predetermined value, and as soon as the predetermined pressure in the first adiabatic cylinder is reached, the second valve opens so that expanded gaseous working fluid from the second conduit (suction conduit) enters the first adiabatic cylinder flows.
Die Strömungsrichtung der Hydraulikflüssigkeit wird zweckmäßigerweise über zwei Dreiwegeventile bestimmt, die in der hydraulischen Verbindung zwischen dem ersten adiabaten Zylinder und dem zweiten adiabaten Zylinder angeordnet sind. Die beiden Dreiwegeventile werden gleichzeitig umgeschaltet, um die Strömungsrichtung zu ändern.The flow direction of the hydraulic fluid is expediently determined via two three-way valves, which are arranged in the hydraulic connection between the first adiabatic cylinder and the second adiabatic cylinder. The two three-way valves are switched simultaneously to change the direction of flow.
Das erste, zweite, dritte und vierte Ventil sind zweckmäßigerweise Rückschlagventile.The first, second, third and fourth valves are expediently check valves.
Die Steuerung des ersten, zweiten, dritten und vierten Ventils und der Dreiwegeventile kann über eine Steuereinheit erfolgen.The control of the first, second, third and fourth valves and the three-way valves can be effected via a control unit.
Vorzugsweise ist die erste Leitung (Druckleitung), in der verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel strömt, über ein Expansionsventil mit der zweiten Leitung (2) verbunden, in dem das verdichtete gasförmige Arbeitsmittel entspannt wird, so daß das Arbeitsmittel im Kreislauf geführt wird.Preferably, the first line (pressure line), flows in the compressed gaseous working fluid, connected via an expansion valve to the second line (2), in which the compressed gaseous working fluid is expanded, so that the working fluid is circulated.
In einer Ausführungsform kann zumindest einem, vorzugsweise beiden Zylindern der Vorrichtung zum Verdichten eines Gases jeweils ein Wärmetauscher zugeordnet sein.In one embodiment, at least one, preferably two cylinders of the device for compressing a gas may each be assigned a heat exchanger.
Diese Ausführungsform ermöglicht eine isotherme Verdichtung des Gases. Die Hy- draulikflüssigkeit, die aus einem Zylinder in den anderen Zylinder strömt, passiert den Wärmetauscher und wird dort abgekühlt. Anschließend wird sie über eine Düse in den Zylinder geleitet und dort versprüht. Auf diese Weise kann die Hydraulikflüssigkeit die bei der Verdichtung des Gases entstehende Kompressionswärme aufnehmen. Da- bei erwärmt sich die Hydraulikflüssigkeit nur geringfügig. Das Gas nimmt lediglich den Anteil an Druckenergie auf und speichert diesen. Es nimmt nur einen geringen Teil der Kompressionswärme auf. Nach der Umschaltung der Strömungsrichtung der Hydraulikflüssigkeit passiert die Hydraulikflüssigkeit auf dem Weg von dem einen Zylinder zu dem anderen Zylinder erneut einen Wärmetauscher, in dem der Hydrau- likflüssigkeit die Kompressionswärme wieder entzogen wird.This embodiment enables an isothermal compression of the gas. The hy- Draulikflüssigkeit, which flows from one cylinder into the other cylinder, passes through the heat exchanger and is cooled there. Then it is passed through a nozzle in the cylinder and sprayed there. In this way, the hydraulic fluid can absorb the heat of compression generated during the compression of the gas. The hydraulic fluid heats up only slightly. The gas only absorbs the proportion of pressure energy and stores it. It absorbs only a small part of the heat of compression. After switching the direction of flow of the hydraulic fluid, the hydraulic fluid again passes through a heat exchanger on the way from the one cylinder to the other cylinder, in which the heat of the hydraulic fluid is removed again from the heat of compression.
Vorrichtung zur Entspannung eines Gases (Expansionsmaschine) In einer Ausführungsform ist die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Entspannung des gasförmigen Arbeitsmittels gerichtet, bei derDevice for expanding a gas (expansion machine) In one embodiment, the invention is directed to a device for relaxing the gaseous working medium, in which
- der erste adiabate Zylinder über ein erstes Ventil und ein erstes Dreiwegeventil mit einer ersten Leitung verbunden ist, aus der verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel in den erste adiabaten Zylinder strömen kann;- The first adiabatic cylinder is connected via a first valve and a first three-way valve with a first line from which compressed gaseous working fluid can flow into the first adiabatic cylinder;
- der erste adiabate Zylinder über ein zweites Ventil und ein zweites Dreiwegeventil mit einer zweiten Leitung verbunden ist, in die entspanntes gasförmiges Arbeitsmittels aus dem ersten adiabaten Zylinder strömen kann;- The first adiabatic cylinder via a second valve and a second three-way valve is connected to a second line, can flow into the relaxed gaseous working fluid from the first adiabatic cylinder;
- der zweite adiabate Zylinder über ein drittes Ventil und das erste Dreiwegeventil mit der ersten Leitung verbunden ist, aus der verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel in den zweiten adiabaten Zylinder strömen kann;the second adiabatic cylinder is connected via a third valve and the first three-way valve is connected to the first line, from which compressed gaseous working fluid can flow into the second adiabatic cylinder;
- der zweite adiabate Zylinder über ein viertes Ventil und das zweite Dreiwegeventil mit der zweiten Leitung verbunden ist, in die entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel in den zweiten adiabaten Zylinder strömen kann; - die Einrichtung zur Abfuhr von Energie ein Hydraulikmotor ist, die den Druck der Hydraulikflüssigkeit, der den Hydraulikmotor passiert, verringert;the second adiabatic cylinder is connected via a fourth valve and the second three-way valve is connected to the second line, into which relaxed gaseous working fluid can flow into the second adiabatic cylinder; the means for dissipating energy is a hydraulic motor which reduces the pressure of the hydraulic fluid passing through the hydraulic motor;
wobeiin which
- in dem ersten Zustand und dem zweiten Zustand das erste, zweite, dritte und vierte Ventil der beiden Zylinder geschlossen ist;- In the first state and the second state, the first, second, third and fourth valve of the two cylinders is closed;
- in dem ersten Schritt, in dem die Hydraulikflüssigkeit aus dem zweiten adiabaten Zylinder in den ersten adiabaten Zylinder geführt wird, (i) über das geöffnete dritte Ventil verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel aus der ersten Leitung in den zweiten adiabaten Zylinder strömt, so daß die Hydraulikflüssigkeit aus dem zweiten adiabaten Zylinder verdrängt wird und in den ersten adiabaten Zylinder strömt; und (ii) ent- spanntes gasförmiges Arbeitsmittel aus dem ersten adiabaten Zylinder über das geöffnete zweite Ventil in die zweite Leitung strömt;- In the first step, in which the hydraulic fluid from the second adiabatic cylinder is guided into the first adiabatic cylinder, (i) via the opened third valve compressed gaseous working fluid from the first conduit into the second adiabatic cylinder, so that the hydraulic fluid from is displaced from the second adiabatic cylinder and flows into the first adiabatic cylinder; and (ii) released gaseous working fluid from the first adiabatic cylinder flows via the opened second valve into the second conduit;
- in dem zweiten Schritt, in dem die Hydraulikflüssigkeit aus dem ersten adiabaten Zylinder in den zweiten adiabaten Zylinder geführt wird, (i) über das geöffnete erste Ventil verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel in den ersten adiabaten Zylinder strömt, so daß die Hydraulikflüssigkeit aus dem ersten adiabaten Zylinder verdrängt wird und in den zweiten adiabaten Zylinder strömt; und (ii) entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel aus dem zweiten adiabaten Zylinder über das geöffnete vierte Ventil in die zweite Leitung strömt.in the second step, in which the hydraulic fluid is conducted from the first adiabatic cylinder into the second adiabatic cylinder, i) compressed gaseous working medium via the opened first valve flows into the first adiabatic cylinder, so that the hydraulic fluid from the first adiabatic cylinder is displaced and flows into the second adiabatic cylinder; and (ii) relaxed gaseous working fluid from the second adiabatic cylinder flows via the opened fourth valve into the second conduit.
Zweckmäßigerweise wird die Strömungsrichtung der Hydraulikflüssigkeit über zwei Dreiwegeventile bestimmt, die in der hydraulischen Verbindung zwischen dem ersten adiabaten Zylinder und dem zweiten adiabaten Zylinder angeordnet sind. Die Strömung des verdichteten gasförmigen Arbeitsmittels aus der ersten Leitung zum ersten adiabaten Zylinder oder zum zweiten adiabaten Zylinder wird durch das erste Dreiwegeventil bestimmt. Die Strömung des entspannten gasförmigen Arbeitsmittels aus dem ersten adiabaten Zylinder oder dem zweiten adiabaten Zylinder in die zweite Leitung wird durch das zweite Dreiwegeventil bestimmt. Diese vier Dreiwegeventile werden vorzugsweise synchron geschaltet, so daß die Strömungsrichtung der Hydraulikflüssigkeit sowie die Zufuhr von verdichtetem Arbeitsmittel und die Abfuhr von entspanntem Arbeitsmittel gleichzeitig geändert werden.Conveniently, the flow direction of the hydraulic fluid is determined via two three-way valves, which are arranged in the hydraulic connection between the first adiabatic cylinder and the second adiabatic cylinder. The flow of the compressed gaseous working fluid from the first conduit to the first adiabatic cylinder or to the second adiabatic cylinder is determined by the first three-way valve. The flow of the relaxed gaseous working fluid the first adiabatic cylinder or the second adiabatic cylinder into the second conduit is determined by the second three-way valve. These four three-way valves are preferably synchronized, so that the flow direction of the hydraulic fluid and the supply of compressed working fluid and the discharge of relaxed working fluid are changed simultaneously.
Das erste, zweite, dritte und vierte Ventil sind zweckmäßigerweise Rückschlagventile.The first, second, third and fourth valves are expediently check valves.
Die Steuerung des ersten, zweiten, dritten und vierten Ventils und der Dreiwegeventi- Ie kann über eine Steuereinheit erfolgen.The control of the first, second, third and fourth valves and the Dreiwegeventi- Ie can be done via a control unit.
Vorzugsweise ist die zweite Leitung, in der entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel strömt, über eine Hydraulikpumpe mit der ersten Leitung verbunden, in dem das entspannte gasförmige Arbeitsmittel verdichtet wird, so daß das gasförmige Arbeitsmittel im Kreislauf geführt wird.Preferably, the second conduit, in which relaxed gaseous working fluid flows, is connected via a hydraulic pump to the first conduit, in which the expanded gaseous working fluid is compressed, so that the gaseous working fluid is recirculated.
Nach Maßgabe der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Verdichtung oder Entspannung eines gasförmigen Arbeitsmittels mittels einer Hydraulikflüssigkeit in einer Vor- richtung, umfassend einen ersten adiabaten Zylinder und einen zweiten adiabaten Zylinder, der mit dem ersten Zylinder über eine Einrichtung zur Zufuhr oder Abfuhr von Energie hydraulisch verbunden ist, vorgesehen, wobeiAccording to the invention there is further provided a method of compressing or relaxing a gaseous working fluid by means of a hydraulic fluid in a device comprising a first adiabatic cylinder and a second adiabatic cylinder hydraulically connected to the first cylinder via a means for supplying or discharging energy connected, provided,
(a) sich in einem ersten Zustand das gasförmige Arbeitsmittel in dem ersten adiabaten Zylinder befindet und sich die Hydraulikflüssigkeit in dem zweiten adiabaten Zylinder befindet;(a) in a first state, the gaseous working fluid is in the first adiabatic cylinder and the hydraulic fluid is in the second adiabatic cylinder;
(b) in einem ersten Schritt die Hydraulikflüssigkeit aus dem zweiten adiabaten Zylinder in den ersten adiabaten Zylinder geführt wird, wobei die Hydraulikflüssigkeit die Einrichtung zur Zufuhr oder Abfuhr von Energie passiert; (c) sich in einem zweiten Zustand das gasförmige Arbeitsmittel in dem zweiten adia- baten Zylinder befindet und sich die Hydraulikflüssigkeit in dem ersten adiabaten Zylinder befindet;(B) in a first step, the hydraulic fluid from the second adiabatic cylinder is guided in the first adiabatic cylinder, wherein the hydraulic fluid passes through the means for supplying or dissipating energy; (c) in a second state, the gaseous working fluid is in the second adiabatic cylinder and the hydraulic fluid is in the first adiabatic cylinder;
(d) in einem zweiten Schritt die Hydraulikflüssigkeit aus dem ersten adiabaten Zylinder in den zweiten adiabaten Zylinder geführt wird, wobei die Hydraulikflüssigkeit die Einrichtung zur Zufuhr oder Abfuhr von Energie passiert; und(D) in a second step, the hydraulic fluid from the first adiabatic cylinder is guided in the second adiabatic cylinder, wherein the hydraulic fluid passes through the means for supplying or dissipating energy; and
(e) der erste Schritt (b) unter Erreichen des zweiten Zustandes und anschließend der zweite Schritt (d) unter Erreichen des ersten Zustandes wiederholt ausgeführt werden.(E) the first step (b) upon reaching the second state and then the second step (d) are repeatedly executed upon reaching the first state.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgeführt.The inventive method is preferably carried out with the device according to the invention.
Verfahren zur Verdichtung eines Gases mittels einer KompressionsmaschineMethod for compressing a gas by means of a compression machine
In einer Ausführungsform ist die Erfindung auf ein Verfahren zur Verdichtung des gasförmigen Arbeitsmittels gerichtet, bei demIn one embodiment, the invention is directed to a method of compressing the gaseous working fluid in which
- der erste adiabate Zylinder über ein erstes Ventil mit einer ersten Leitung (Drucklei- tung) verbunden ist, in die verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel aus dem ersten adiabaten Zylinder strömen kann;- The first adiabatic cylinder is connected via a first valve with a first line (pressure line), can flow into the compressed gaseous working fluid from the first adiabatic cylinder;
- der erste adiabate Zylinder über ein zweites Ventil mit einer zweiten Leitung (Saugleitung) verbunden ist, aus der entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel in den er- sten adiabaten Zylinder strömen kann;- The first adiabatic cylinder is connected via a second valve to a second line (suction line), can flow from the relaxed gaseous working fluid in the first adiabatic cylinder;
- der zweite adiabate Zylinder über ein drittes Ventil mit der ersten Leitung (Druckleitung) verbunden ist, in die verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel aus dem zweiten adiabaten Zylinder strömen kann; - der zweite adiabate Zylinder über ein viertes Ventil mit der zweiten Leitung (Saugleitung) verbunden ist, aus der entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel in den zweiten adiabaten Zylinder strömen kann;- The second adiabatic cylinder is connected via a third valve to the first line (pressure line), can flow into the compressed gaseous working fluid from the second adiabatic cylinder; - The second adiabatic cylinder is connected via a fourth valve to the second line (suction line), can flow from the relaxed gaseous working fluid in the second adiabatic cylinder;
- die Einrichtung zur Zufuhr von Energie eine Hydraulikpumpe ist, die den Druck der Hydraulikflüssigkeit, die die Hydraulikpumpe passiert, erhöht;the means for supplying energy is a hydraulic pump which increases the pressure of the hydraulic fluid passing through the hydraulic pump;
wobeiin which
- in dem ersten Zustand und dem zweiten Zustand das erste, zweite, dritte und vierte Ventil der beiden Zylinder geschlossen ist;- In the first state and the second state, the first, second, third and fourth valve of the two cylinders is closed;
- in dem ersten Schritt, in dem die Hydraulikflüssigkeit aus dem zweiten adiabaten Zylinder in den ersten adiabaten Zylinder geführt wird, (i) das gasförmige Arbeitsmit- tel in dem ersten adiabaten Zylinder auf einen vorgegebenen Druck verdichtet wird, wobei sich, sobald das gasförmige Arbeitsmittel den vorgegebenen Druck erreicht hat, das erste Ventil öffnet, so daß das verdichtete gasförmige Arbeitsmittel isobar in die erste Leitung strömt; und (ii) der Druck in dem zweiten adiabaten Zylinder auf einen vorgegebenen Wert sinkt, wobei sich, sobald der vorgegebene Druck in dem zweiten adiabaten Zylinder erreicht ist, das vierte Ventil öffnet, so daß entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel in den zweiten adiabaten Zylinder strömt; undin the first step, in which the hydraulic fluid from the second adiabatic cylinder is fed into the first adiabatic cylinder, i) the gaseous working fluid in the first adiabatic cylinder is compressed to a predetermined pressure, as soon as the gaseous working fluid has reached the predetermined pressure, the first valve opens, so that the compressed gaseous working fluid isobarically flows into the first conduit; and (ii) the pressure in the second adiabatic cylinder decreases to a predetermined value, and as soon as the predetermined pressure in the second adiabatic cylinder is reached, the fourth valve opens so that expanded gaseous working fluid flows into the second adiabatic cylinder; and
- in dem zweiten Schritt, in dem die Hydraulikflüssigkeit aus dem ersten adiabaten Zylinder in den zweiten adiabaten Zylinder geführt wird, (i) das gasförmige Arbeits- mittel in dem zweiten adiabaten Zylinder auf einen vorgegebenen Druck verdichtet wird, wobei sich, sobald das gasförmige Arbeitsmittel den vorgegebenen Druck erreicht hat, das dritte Ventil öffnet, so daß das verdichtete gasförmige Arbeitsmittel isobar in die erste Leitung (Druckleitung) strömt; und (ii) der Druck in dem ersten adiabaten Zylinder auf einen vorgegebenen Wert sinkt, wobei sich, sobald der vorge- gebene Druck in dem ersten adiabaten Zylinder erreicht ist, das zweite Ventil öffnet, so daß entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel in den ersten adiabaten Zylinder strömt. Die Strömungsrichtung der Hydraulikflüssigkeit wird zweckmäßigerweise über zwei Dreiwegeventile bestimmt, die in der hydraulischen Verbindung zwischen dem ersten adiabaten Zylinder und dem zweiten adiabaten Zylinder angeordnet sind. Die beiden Dreiwegeventile werden gleichzeitig umgeschaltet, um die Strömungsrichtung zu ändern.in the second step, in which the hydraulic fluid is conducted from the first adiabatic cylinder into the second adiabatic cylinder, (i) the gaseous working fluid in the second adiabatic cylinder is compressed to a predetermined pressure, as soon as the gaseous working fluid has reached the predetermined pressure, the third valve opens, so that the compressed gaseous working fluid isobarically flows into the first line (pressure line); and (ii) the pressure in the first adiabatic cylinder decreases to a predetermined value, and as soon as the predetermined pressure in the first adiabatic cylinder is reached, the second valve opens so that expanded gaseous working fluid flows into the first adiabatic cylinder , The flow direction of the hydraulic fluid is expediently determined via two three-way valves, which are arranged in the hydraulic connection between the first adiabatic cylinder and the second adiabatic cylinder. The two three-way valves are switched simultaneously to change the direction of flow.
Das erste, zweite, dritte und vierte Ventil sind zweckmäßigerweise Rückschlagventile.The first, second, third and fourth valves are expediently check valves.
Die Steuerung des ersten, zweiten, dritten und vierten Ventils und der Dreiwegeventile kann über eine Steuereinheit erfolgen.The control of the first, second, third and fourth valves and the three-way valves can be effected via a control unit.
Vorzugsweise ist die erste Leitung (Druckleitung), in der verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel strömt, über ein Expansionsventil mit der zweiten Leitung (2) verbun- den, in dem das verdichtete gasförmige Arbeitsmittel entspannt wird, so daß das Arbeitsmittel im Kreislauf geführt wird.Preferably, the first line (pressure line), in which compressed gaseous working fluid flows, is connected via an expansion valve to the second line (2), in which the compressed gaseous working fluid is expanded, so that the working fluid is recirculated.
Das Verfahren zur Verdichtung des gasförmigen Arbeitsmittels wird nachfolgend ausführlicher beschrieben:The method of compressing the gaseous working fluid is described in more detail below:
Das gasförmige Arbeitsmittel, welches den ersten adiabaten Zylinder vollständig füllt, wird durch eine Hydraulikflüssigkeit komprimiert, bis sich ein gewünschter Druck aufbaut. Gleichzeitig wird aus dem zweiten adiabaten Zylinder, welcher hydraulisch mit dem ersten adiabaten Zylinder verbunden ist, die Hydraulikflüssigkeit entnommen. Dadurch sinkt der Druck im zweiten adiabaten Zylinder auf einen gewünschten Wert. Ist dieser erreicht, öffnet sich das zweite Rückschlagventil und läßt Gas aus einer Saugleitung in den zweiten Zylinder einströmen. Die entnommene Hydraulikflüssigkeit fließt durch Leitungen zu einer Hydraulikpumpe, erfährt dort durch Energiezufuhr eine Druckerhöhung und wird anschließend dem ersten Zylinder wie- der zugeführt. Ist im ersten Zylinder der gewünschte Druck erreicht, öffnet sich das dritte Rückschlagventil und läßt das komprimierte Gas isobar in eine Druckleitung entweichen. Ist dieser Vorgang abgeschlossen, stellen die beiden 3 -Wege- Ventile die Strömungsrichtung der Hydraulikflüssigkeit nun so um, das nun aus dem vollständig mit Hy- draulikflüssigkeit gefüllten ersten Zylinder die Hydraulikflüssigkeit entnommen wird, über die Hydraulikpumpe fließt und in den zweiten Zylinder einströmt.The gaseous working fluid, which completely fills the first adiabatic cylinder, is compressed by a hydraulic fluid until a desired pressure builds up. At the same time, the hydraulic fluid is taken from the second adiabatic cylinder, which is hydraulically connected to the first adiabatic cylinder. This reduces the pressure in the second adiabatic cylinder to a desired value. When this is reached, the second check valve opens and allows gas to flow from a suction line into the second cylinder. The extracted hydraulic fluid flows through lines to a hydraulic pump, where it experiences an increase in pressure due to energy supply and is then returned to the first cylinder. If the desired pressure is reached in the first cylinder, the third check valve opens and allows the compressed gas to escape isobarically into a pressure line. Once this process has been completed, the two 3-way valves now change the flow direction of the hydraulic fluid so that the hydraulic fluid is removed from the first cylinder, which is completely filled with hydraulic fluid, flows through the hydraulic pump and flows into the second cylinder.
Das in den zweiten Zylinder zuvor eingeströmte Gas aus der Saugleitung wird im zweiten Zylinder nun durch die Hydraulikflüssigkeit komprimiert. Dabei schließt sich das zweite Rückschlagventil an der Saugleitung. Wenn wieder ein gewünschter Druck erreicht ist, öffnet sich das erste Rückschlagventil am zweiten Zylinder und läßt das komprimierte Gas wiederum isobar entweichen. Gleichzeitig sinkt im ersten Zylinder, welchem die Hydraulikflüssigkeit entnommen wird, der Druck, bis sich ein viertes Rückschlagventil an der Saugleitung öffnet und Gas in den ersten Zylinder einströmen läßt.The previously flowed into the second cylinder gas from the suction line is now compressed in the second cylinder by the hydraulic fluid. This closes the second check valve on the suction line. When a desired pressure is reached again, the first check valve on the second cylinder opens and in turn allows the compressed gas to escape isobarically. At the same time, the pressure in the first cylinder, from which the hydraulic fluid is withdrawn, drops until a fourth check valve on the suction line opens and gas flows into the first cylinder.
Ist der zweite Zylinder vollständig mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt, stellen wieder die beiden 3 -Wege-Ventile die Strömungsrichtung um, so daß nun wieder die Hydraulikflüssigkeit aus dem zweiten Zylinder entnommen wird und in den ersten Zylinder einströmt. Damit schließt sich der Zyklus und eine fortwährende Komprimierung eines Gases ist damit gewährleistet.If the second cylinder is completely filled with hydraulic fluid, the two 3-way valves again change the direction of flow so that the hydraulic fluid is again taken out of the second cylinder and flows into the first cylinder. This closes the cycle and a constant compression of a gas is guaranteed.
In einer Ausführungsform ist zumindest einem, vorzugsweise beiden Zylindern der Vorrichtung zum Verdichten eines Gases jeweils ein Wärmetauscher zugeordnet. Die- se Ausführungsform ermöglicht eine isotherme Verdichtung des Gases. Die Hydraulikflüssigkeit, die in aus einem Zylinder in den anderen Zylinder strömt, passiert den Wärmetauscher und wird dort abgekühlt. Anschließend wird sie über Düse in den Zylinder geleitet und dort versprüht. Auf diese Weise kann die Hydraulikflüssigkeit die bei der Verdichtung des Gases entstehende Kompressionswärme aufnehmen. Dabei erwärmt sich die Hydraulikflüssigkeit nur geringfügig. Das Gas nimmt lediglich den Anteil an Druckenergie auf und speichert diesen. Es nimmt nur einen geringen Teil der Kompressionswärme auf. Nach der Umschaltung der Strömungsrichtung der Hydraulikflüssigkeit passiert die Hydraulikflüssigkeit auf dem Weg von dem einen Zylinder zu dem anderen Zylinder erneut einen Wärmetauscher, in dem der Hydraulikflüssigkeit die Kompressionswärme wieder entzogen wird.In one embodiment, at least one, preferably two cylinders of the device for compressing a gas are each associated with a heat exchanger. This embodiment enables an isothermal compression of the gas. The hydraulic fluid that flows into the other cylinder from one cylinder passes through the heat exchanger and is cooled down there. Then it is passed through nozzle into the cylinder and sprayed there. In this way, the hydraulic fluid can absorb the heat of compression generated during the compression of the gas. The hydraulic fluid heats up only slightly. The gas only absorbs the proportion of pressure energy and stores it. It only takes up a small part the compression heat on. After the switching of the flow direction of the hydraulic fluid passes through the hydraulic fluid on the way from the one cylinder to the other cylinder again a heat exchanger in which the hydraulic fluid, the heat of compression is withdrawn.
Verfahren zur Entspannung eines Gases (Expansionsmaschine)Method for relaxing a gas (expansion machine)
In einer Ausführungsform ist die Erfindung auf ein Verfahren zur Entspannung des gasförmigen Arbeitsmittels gerichtet, bei demIn one embodiment, the invention is directed to a method of expanding the gaseous working fluid, in which
- der erste adiabate Zylinder über ein erstes Ventil und ein erstes Dreiwegeventil mit einer ersten Leitung verbunden ist, aus der verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel in den erste adiabaten Zylinder strömen kann;- The first adiabatic cylinder is connected via a first valve and a first three-way valve with a first line from which compressed gaseous working fluid can flow into the first adiabatic cylinder;
- der erste adiabate Zylinder über ein zweites Ventil und ein zweites Dreiwegeventil mit einer zweiten Leitung verbunden ist, in die entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel aus dem ersten adiabaten Zylinder strömen kann;- The first adiabatic cylinder is connected via a second valve and a second three-way valve to a second line, can flow into the relaxed gaseous working fluid from the first adiabatic cylinder;
- der zweite adiabate Zylinder über ein drittes Ventil und das erste Dreiwegeventil mit der ersten Leitung verbunden ist, aus der verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel in den zweiten adiabaten Zylinder strömen kann;the second adiabatic cylinder is connected via a third valve and the first three-way valve is connected to the first line, from which compressed gaseous working fluid can flow into the second adiabatic cylinder;
- der zweite adiabate Zylinder über ein viertes Ventil und das zweite Dreiwegeventil mit der zweiten Leitung verbunden ist, in die entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel in den zweiten adiabaten Zylinder strömen kann;the second adiabatic cylinder is connected via a fourth valve and the second three-way valve is connected to the second line, into which relaxed gaseous working fluid can flow into the second adiabatic cylinder;
- die Einrichtung zur Abfuhr von Energie ein Hydraulikmotor ist, die den Druck der Hydraulikflüssigkeit, der den Hydraulikmotor passiert, verringert;the means for dissipating energy is a hydraulic motor which reduces the pressure of the hydraulic fluid passing through the hydraulic motor;
wobei - in dem ersten Zustand und dem zweiten Zustand das erste, zweite, dritte und vierte Ventil der beiden Zylinder geschlossen ist;in which - In the first state and the second state, the first, second, third and fourth valve of the two cylinders is closed;
- in dem ersten Schritt, in dem die Hydraulikflüssigkeit aus dem zweiten adiabaten Zylinder in den ersten adiabaten Zylinder geführt wird, (i) über das geöffnete drittein the first step, in which the hydraulic fluid from the second adiabatic cylinder is guided into the first adiabatic cylinder, (i) via the opened third
Ventil verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel aus der ersten Leitung in den zweiten adiabaten Zylinder strömt, so daß die Hydraulikflüssigkeit aus dem zweiten adiabaten Zylinder verdrängt wird und in den ersten adiabaten Zylinder strömt; und (ii) entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel aus dem ersten adiabaten Zylinder über das geöff- nete zweite Ventil in die zweite Leitung strömt;Valve compressed gaseous working fluid from the first conduit into the second adiabatic cylinder flows, so that the hydraulic fluid is displaced from the second adiabatic cylinder and flows into the first adiabatic cylinder; and (ii) relaxed gaseous working fluid from the first adiabatic cylinder flows into the second conduit via the opened second valve;
- in dem zweiten Schritt, in dem die Hydraulikflüssigkeit aus dem ersten adiabaten Zylinder in den zweiten adiabaten Zylinder geführt wird, (i) über das geöffnete erste Ventil verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel in den ersten adiabaten Zylinder strömt, so daß die Hydraulikflüssigkeit aus dem ersten adiabaten Zylinder verdrängt wird und in den zweiten adiabaten Zylinder strömt; und (ii) entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel aus dem zweiten adiabaten Zylinder über das geöffnete vierte Ventil in die zweite Leitung strömt.in the second step, in which the hydraulic fluid is conducted from the first adiabatic cylinder into the second adiabatic cylinder, i) compressed gaseous working medium via the opened first valve flows into the first adiabatic cylinder, so that the hydraulic fluid from the first adiabatic cylinder is displaced and flows into the second adiabatic cylinder; and (ii) relaxed gaseous working fluid from the second adiabatic cylinder flows via the opened fourth valve into the second conduit.
Zweckmäßigerweise wird die Strömungsrichtung der Hydraulikflüssigkeit über zwei Dreiwegeventile bestimmt, die in der hydraulischen Verbindung zwischen dem ersten adiabaten Zylinder und dem zweiten adiabaten Zylinder angeordnet sind. Die Strömung des verdichteten gasförmigen Arbeitsmittels aus der ersten Leitung zum ersten adiabaten Zylinder oder zum zweiten adiabaten Zylinder wird durch das erste Drei- Wegeventil bestimmt. Die Strömung des entspannten gasförmigen Arbeitsmittels aus dem ersten adiabaten Zylinder oder dem zweiten adiabaten Zylinder in die zweite Leitung wird durch das zweite Dreiwegeventil bestimmt. Diese vier Dreiwegeventile werden vorzugsweise synchron geschaltet, so daß die Strömungsrichtung der Hydraulikflüssigkeit sowie die Zufuhr von verdichtetem Arbeitsmittel und die Abfuhr von entspanntem Arbeitsmittel gleichzeitig geändert werden. Das ersten, zweiten, dritten und vierten Ventil sind zweckmäßigerweise Rückschlagventile.Conveniently, the flow direction of the hydraulic fluid is determined via two three-way valves, which are arranged in the hydraulic connection between the first adiabatic cylinder and the second adiabatic cylinder. The flow of the compressed gaseous working fluid from the first conduit to the first adiabatic cylinder or to the second adiabatic cylinder is determined by the first three-way valve. The flow of the expanded gaseous working fluid from the first adiabatic cylinder or the second adiabatic cylinder into the second conduit is determined by the second three-way valve. These four three-way valves are preferably synchronized, so that the flow direction of the hydraulic fluid and the supply of compressed working fluid and the discharge of relaxed working fluid are changed simultaneously. The first, second, third and fourth valves are expediently check valves.
Die Steuerung des erste, zweite, dritte und vierte Ventils und der Dreiwegeventile kann über eine Steuereinheit erfolgen.The control of the first, second, third and fourth valves and the three-way valves can be effected via a control unit.
Vorzugsweise ist die zweite Leitung, in der entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel strömt, über eine Hydraulikpumpe mit der ersten Leitung verbunden, in dem das entspannte gasförmige Arbeitsmittel verdichtet wird, so daß das gasförmige Arbeitsmittel im Kreislauf geführt wird.Preferably, the second conduit, in which relaxed gaseous working fluid flows, is connected via a hydraulic pump to the first conduit, in which the expanded gaseous working fluid is compressed, so that the gaseous working fluid is recirculated.
Nach Maßgabe der Erfindung sind ferner ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Umwandeln von Niedertemperaturwärme aus industriellen Abwärmequellen, aber auch Niedertemperatur aus Solarthermie und Geothermie vorgesehen. Die Vorrich- tung besteht aus zumindest zwei Behältern, die mit einem Fluid gefüllt und hydraulisch durch eine Kraftmaschine verbunden sind. Die Vorrichtung wird durch abwechselnd zyklische Be- und Entladung der Behälter mit Niedertemperaturwärme und Umgebungswärme betrieben. Auf diese Weise wird die Umwandlung von Niedertemperaturwärme in elektrische oder mechanische Arbeit verbessert. Das erfmdungsge- mäße Verfahren ist wirtschaftlich vorteilhaft. Die dazu benötigte Vorrichtung benötigt nur wenig Platz.According to the invention, a method and apparatus for converting low temperature heat from industrial waste heat sources, but also low temperature solar thermal and geothermal are also provided. The device consists of at least two containers which are filled with a fluid and hydraulically connected by an engine. The device is operated by alternately cyclic loading and unloading of the container with low temperature heat and ambient heat. In this way, the conversion of low temperature heat into electrical or mechanical work is improved. The erfmdungsge- Permitted method is economically advantageous. The required device requires little space.
Im Zyklus der Beladung des ersten Behälters kommt es zur Drucksteigerung in Folge der Durchleitung von Niedertemperaturwärme durch einen integrierten Wärmeüber- trager. Durch Schließen eines zwischen dem ersten Behälter und der Kraftmaschine angebrachten Ventils kommt es zur isochoren Zustandsänderung des Fluides, bis sich ein Sättigungsdruck einstellt. Währenddessen findet im zweiten Behälter eine Druckabsenkung des Fluides in Folge der Durchleitung von Umgebungswärme durch einen integrierten Wärmeübertrager statt. Dieser aufgebaute Druckunterschied wird in einer Arbeitsmaschine, welche hydraulisch zwischen den beiden Behältern zweckmäßig angebracht ist, abgebaut und in elektrische oder mechanische Energie umgewandelt. Durch Umschaltung durchströmt im zweiten Schritt nun die Umgebungstemperatur den ersten Behälter, was zur Druckabsenkung fuhrt, während im zweiten Behälter eine Drucksteigerung durch Zufuhr von Niedertemperaturwärme stattfindet. Dieser Druckunterschied wird wiederum in der Kraftmaschine abgebaut und in elektrische oder mechanische Energie umgewandelt, bevor durch Umschaltung erneut eine Drucksteigerung im ersten Behälter bzw. eine Druckabsenkung im zweiten Behälter stattfindet.In the cycle of loading of the first container, pressure increases as a result of the passage of low-temperature heat through an integrated heat exchanger. By closing a valve mounted between the first container and the engine, the fluid undergoes isochoric change of state until a saturation pressure is established. Meanwhile, a pressure drop of the fluid takes place in the second container as a result of the passage of ambient heat through an integrated heat exchanger. This built pressure difference is degraded in a working machine, which is hydraulically appropriate between the two containers, degraded and converted into electrical or mechanical energy. By switching over flows in the second step, the ambient temperature now flows through the first container, which leads to pressure reduction, while in the second container, an increase in pressure takes place by supplying low-temperature heat. This pressure difference is in turn reduced in the engine and converted into electrical or mechanical energy, before taking place again by switching a pressure increase in the first container or a pressure reduction in the second container.
Es ist weiterhin erfindungsgemäß vorgesehen, dass Kohlendioxid oder ein anderes Arbeitsmittel mit hohem kritischem Druck und einer kritischen Temperatur nahe der zur Verfügung stehenden Temperaturen der Wärmequelle sowie der Wärmesenke Verwendung findet.It is further provided according to the invention that carbon dioxide or another working fluid having a high critical pressure and a critical temperature near the available temperatures of the heat source and the heat sink is used.
Der wirtschaftliche Vorteil der Erfindung begründet sich in der damit gegebenen hohen exergetischen Ausbeute der zugeführten Wärme und deren Umwandlung in die höchste qualitative Form von Energie, nämlich Elektroenergie. Des Weiteren trägt diese insbesondere bei Nutzung von Industrieabwärme zur Senkung der vorhandenen Rückkühlkosten bei. Weiterhin ist es mit dieser Erfindung möglich, bislang ungenutz- te Wärmequellen zu erschließen und zur Gewinnung von elektrischer Energie heranzuziehen. Das Verfahren und die Vorrichtung sind daher insbesondere für die Ver- stromung von lokal anfallender Niedertemperaturwärme von Industriegebieten, aber auch die lokale Verstromung von Solarthermie an Neu- oder Bestandsanlagen geeignet.The economic advantage of the invention is due to the high exergetic yield of the heat supplied and its conversion into the highest qualitative form of energy, namely electrical energy. Furthermore, this contributes to the reduction of existing cooling costs, especially when using industrial waste heat. Furthermore, it is possible with this invention to open up previously unused heat sources and to draw on the production of electrical energy. The method and the device are therefore particularly suitable for the flow of locally generated low-temperature heat from industrial areas, but also the local power generation of solar thermal energy on new or existing plants.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen, die die Erfindung nicht einschränken sollen, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläu- tert. Dabei zeigen Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung zurThe invention will be explained in more detail below with reference to embodiments, which are not intended to limit the invention, with reference to the drawings. Show Fig. 1 shows a first embodiment of an inventive arrangement for
Kompression eines Gases;Compression of a gas;
Fig. 2a eine zweite Ausfuhrungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Expansion eines Gases;2a shows a second embodiment of an arrangement according to the invention for expanding a gas;
Fig. 2b eine veränderte zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Expansion eines Gases;FIG. 2b shows an altered second embodiment of an arrangement according to the invention for expansion of a gas; FIG.
Fig. 3 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung zur isothermen Kompression eines Gases;3 shows a third embodiment of an arrangement according to the invention for the isothermal compression of a gas;
Fig. 4 eine vierte Ausfuhrungsform der erfindungsgemäßen Anordnung zur istothermen Entspannung eines Gases; und4 shows a fourth embodiment of the arrangement according to the invention for the isothermal expansion of a gas; and
Fig. 5 eine Anordnung gemäß einem Aspekt der Erfindung zur Umwandlung von Niedertemperaturwärme in elektrische Energie.Fig. 5 shows an arrangement according to one aspect of the invention for the conversion of low temperature heat into electrical energy.
Beispiel 1 Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung zur Kompression eines Gases ist ein Verdichter einer Wärmepumpe mit dem Kältemittel Kohlendioxid (R744, CO2) und einer hydraulischen Axialkolbenpumpe (hergestellt von der Fa. Danfoss, DE), welche als Hydraulikflüssigkeit (Hf) Wasser verwendet. Der erste Zylinder und der zweite Zylinder haben das gleiche Innenvolumen. Die Rückschlagventile öffnen oder schließen, wenn eine Druckdifferenz zwischen den Komponenten besteht, zwischen denen sie eingebaut sind. Bei Strömungswechsel, infolge der beiden 3-Wege- Ventile, schließen die Rückschlagventile, da die Druckdifferenz zusammenbricht.Example 1 The arrangement for compressing a gas shown in Fig. 1 is a compressor of a heat pump with the refrigerant carbon dioxide (R744, CO 2 ) and a hydraulic axial piston pump (manufactured by Danfoss, DE), which as hydraulic fluid (Hf) water used. The first cylinder and the second cylinder have the same internal volume. Open or close the check valves if there is a pressure difference between the components between which they are installed. When changing the flow, due to the two 3-way valves, close the check valves, since the pressure difference collapses.
Zustand vor Schritt Ia und Ib Vor den Schritten Ia und Ib ist der zweite Zylinder 7 vollständig mit Wasser gefüllt, während der erste Zylinder 8 vollständig mit CO2 gefüllt ist. Die Rückschlagventile 3, 4, 5 und 6 sind geschlossen.Condition before step Ia and Ib Before the steps Ia and Ib, the second cylinder 7 is completely filled with water while the first cylinder 8 is completely filled with CO 2 . The check valves 3, 4, 5 and 6 are closed.
Schritt IaStep Ia
In einen vollständig mit CO2 gefüllten ersten Zylinder 8 strömt Hydraulikflüssigkeit ein und komprimiert das dort befindliche CO2, bis sich ein Druck von 95 bar aufbaut. Dabei erhöht sich die Temperatur des CO2 von anfangs 30 0C auf 113 0C. Sobald der Druck von 95 bar im ersten Zylinder 8 erreicht ist, öffnet sich das dritte Rückschlag- ventil (Rv) 6 und läßt das CO2 isobar in die Druckleitung (Dl) 1 entweichen, dabei baut sich ein Druck von ca. 95 bar in der Druckleitung 1 auf.In a completely filled with CO 2 first cylinder 8 hydraulic fluid flows in and compresses the CO 2 located there , until a pressure of 95 bar builds up. The temperature of the CO 2 increases from the beginning of 30 0 C to 113 0 C. As soon as the pressure of 95 bar in the first cylinder 8 is reached, opens the third check valve (Rv) 6 and leaves the CO 2 isobaric in the Pressure line (Dl) 1 escape, it builds up a pressure of about 95 bar in the pressure line 1.
Schritt IbStep Ib
Gleichzeitig mit Schritt Ia wird dem zweiten Zylinder 7 die benötigte Hydraulikflüs- sigkeit entnommen, durch das 3 -Wegeventil 9 geleitet und der Hydraulikpumpe (Hp) 11 zugeführt. Die Hydraulikpumpe 11 pumpt das Wasser auf einen Druck von 95 bar und läßt es über das 3 -Wegeventil 10 in den ersten Zylinder 8 einströmen. Die dazu benötigte elektrische Leistung von 4,8 kW bekommt die Hydraulikpumpe 11 von einem Elektromotor 12. Während der Entnahme der Hydraulikflüssigkeit sinkt der Druck in dem zweiten Zylinder 7 auf 37,7 bar. Sobald der Druck von 37,7 bar im zweiten Zylinder 7 erreicht ist, öffnet sich das zweite Rückschlagventil 4 und läßt CO2 aus der Saugleitung (Sl) 2 in den ersten Zylinder 7 einströmen.Simultaneously with step 1a, the required hydraulic fluid is taken from the second cylinder 7, passed through the 3-way valve 9 and supplied to the hydraulic pump (Hp) 11. The hydraulic pump 11 pumps the water to a pressure of 95 bar and allows it to flow via the 3-way valve 10 into the first cylinder 8. The required electric power of 4.8 kW gets the hydraulic pump 11 from an electric motor 12. During the removal of the hydraulic fluid, the pressure in the second cylinder 7 drops to 37.7 bar. As soon as the pressure of 37.7 bar is reached in the second cylinder 7, the second check valve 4 opens and allows CO 2 from the suction line (Sl) 2 to flow into the first cylinder 7.
Zustand nach Schritt Ia und Ib Nach den Schritten Ia und Ib ist der zweite Zylinder 7 vollständig mit CO2 gefüllt, während der erste Zylinder 8 vollständig mit Wasser gefüllt ist. Die Rückschlagventile 3, 4, 5 und 6 sind geschlossen.State after steps Ia and Ib After steps Ia and Ib, the second cylinder 7 is completely filled with CO 2 while the first cylinder 8 is completely filled with water. The check valves 3, 4, 5 and 6 are closed.
Schritt 2a In diesen Zustand ändern nun die beiden 3 -Wegeventile 9 und 10 die Strömungsrichtung des Wassers; dabei schließen die Rückschlagventile 4 und 6, so daß nun das Wasser aus dem ersten Zylinder 8 über das 3 -Wegeventil 10 durch die Hydraulikpumpe 11 strömt. In der Hydraulikpumpe 11 erfährt das Wasser eine Druckerhöhung von 37,7 bar auf 95 bar. Danach wird das Wasser durch das 3-Wegeventil 9 in den zweiten Zylinder 7 geleitet und komprimiert dort das CO2 von 37,7 auf 95 bar, wobei das CO2 seine Temperatur von 30 0C auf 113 0C ändert. Sobald der Druck von 95 bar im zweiten Zylinder 7 erreicht ist, öffnet sich das erste Rückschlagventil 3 und läßt wiederum das CO2 isobar in die Druckleitung 1 entweichen.Step 2a In this state, the two 3-way valves 9 and 10 now change the flow direction of the water; this close the check valves 4 and 6, so that now the Water from the first cylinder 8 flows through the 3-way valve 10 through the hydraulic pump 11. In the hydraulic pump 11, the water experiences a pressure increase from 37.7 bar to 95 bar. Thereafter, the water is passed through the 3-way valve 9 in the second cylinder 7 and there compresses the CO 2 from 37.7 to 95 bar, the CO 2 changes its temperature from 30 0 C to 113 0 C. As soon as the pressure of 95 bar in the second cylinder 7 has been reached, the first check valve 3 opens and in turn allows the CO 2 to escape isobarically into the pressure line 1.
Schritt 2b Gleichzeitig mit Schritt 2a fällt im ersten Zylinder 8 hingegen der Druck. Sobald der Druck im zweiten Zylinder 37,7 bar erreicht hat, öffnet sich das vierte Rückschlagventil 5 und läßt CO2 aus der Saugleitung 2 in den Zylinder 8 einströmen. Sobald der zweite Zylinder 7 vollständig mit CO2 gefüllt, ändern die beiden 3-Wegeventile 9 und 10 die Strömungsrichtung der Hydraulikflüssigkeit, so daß nun das Wasser vom zwei- ten Zylinder 7 über die Hydraulikpumpe 11 zu dem ersten Zylinder 8 strömt.Step 2b At the same time as step 2a falls in the first cylinder 8, however, the pressure. As soon as the pressure in the second cylinder has reached 37.7 bar, the fourth check valve 5 opens and allows CO 2 to flow from the suction line 2 into the cylinder 8. As soon as the second cylinder 7 is completely filled with CO 2 , the two 3-way valves 9 and 10 change the flow direction of the hydraulic fluid, so that now the water flows from the second cylinder 7 via the hydraulic pump 11 to the first cylinder 8.
Zustand nach Schritt 2a und 2bCondition after step 2a and 2b
Nach den Schritten 2a und 2b ist der zweite Zylinder 7 vollständig mit Wasser gefüllt, während der erste Zylinder 8 vollständig mit CO2 gefüllt ist. Dieser Zustand entspricht somit dem Zustand vor den Schritten Ia und Ib. Die Rückschlagventile 3, 4, 5 und 6 sind geschlossen. Damit ist der Zyklus geschlossen und eine fortwährende Komprimierung des CO2 gewährleistet.After steps 2a and 2b, the second cylinder 7 is completely filled with water while the first cylinder 8 is completely filled with CO 2 . This state thus corresponds to the state before steps Ia and Ib. The check valves 3, 4, 5 and 6 are closed. This completes the cycle and ensures continued compression of CO 2 .
Abkühlung und Entspannung des CO2 Das in den Schritten Ia und 2a in Druckleitung 1 abgegebene, erhitzte CO2 wird in der Druckleitung 1 zu einem Gaskühler 13 geleitet und dort im Gegenstromprinzip mit Wasser auf 32 0C gekühlt. Dabei erwärmt sich das Wasser und nimmt ca. 21 kW aus dem CO2 auf. Anschließend kann das Wasser einem Verbraucher 17 (beispielsweise einer Gebäudeheizung) zur Verfügung gestellt werden. Nachdem das CO2 im Gaskühler 13 21 kW an Wärmeleistung abgegeben hat, wird es von der Druckleitung 1 zum inneren Wärmeübertrager 14 geleitet. Dort erwärmt es im Gegenstrom das CO2 aus der Saugleitung 2, wobei sich das CO2 in der Druckleitung 1 von 32 0C auf 20,7 0C abkühlt. Anschließend gelangt das CO2 in der Druckleitung 1 zum Expansionsventil 15. Mittels des Expansionsventil 15 wird das CO2 in der Druckleitung 1 isenthalp von 95 bar auf 37,7 bar ins Zweiphasengebiet entspannt. Dabei gelangt das CO2 in Saugleitung 2.Cooling and relaxation of the CO 2 The heated CO 2 discharged in pressure line 1 in steps 1a and 2a is conducted in the pressure line 1 to a gas cooler 13 where it is cooled to 32 ° C. countercurrently with water. The water heats up and absorbs about 21 kW from the CO 2 . Subsequently, the water can be made available to a consumer 17 (for example, a building heating). After the CO 2 has delivered 21 kW of heat output in the gas cooler 13, it is passed from the pressure line 1 to the inner heat exchanger 14. There, it heats countercurrently the CO 2 from the suction line 2, wherein the CO 2 in the pressure line 1 of 32 0 C to 20.7 0 C cools. Subsequently, the CO 2 passes in the pressure line 1 to the expansion valve 15. By means of the expansion valve 15, the CO 2 in the pressure line 1 is isenthalp relaxed from 95 bar to 37.7 bar in the two-phase region. In this case, the CO 2 enters suction line. 2
Verdampfen und Erwärmen des CO2 In Saugleitung 2 wird das CO2 einem Verdampfer 16 zugeführt. Dieser entnimmt einem Brunnen 18 Wasser. Mit diesem Wasser wird das CO2 bei 3 0C, wiederum im Gegenstromprinzip, verdampft und auf 6 0C überhitzt, wobei das CO2 16,1 kW aus dem Brunnenwasser an Wärmeleistung aufnimmt.Evaporation and heating of the CO2 In suction line 2, the CO 2 is fed to an evaporator 16. This takes 18 water from a well. With this water, the CO 2 at 3 0 C, again in countercurrent principle, evaporated and superheated to 6 0 C, the CO 2 16.1 kW from the well water absorbs heat output.
Nachdem das CO2 vollständig im Verdampfer 16 verdampft ist, wird es von der Saugleitung 2 zum inneren Wärmeübertrager 14 geleitet und dort von 6 0C auf 30 0C erwärmt und steht danach dem Hydraulikverdichter zur Verfügung.After the CO 2 is completely evaporated in the evaporator 16, it is passed from the suction line 2 to the inner heat exchanger 14 and heated there from 6 0 C to 30 0 C and is then the hydraulic compressor available.
Leistungszahlen Mit dieser Wärmepumpe lassen sich Wärmepumpenleistungszahlen von 4,3 realisieren (21 kW / 4,8 kW = 4,3). Dies steht im Gegensatz zum Stand der Technik, welcher unter gleichen Bedingungen lediglich eine Leistungszahl von ca. 3,5 erreicht. Des Weiteren kann vollständig auf den Einsatz von Schmieröl verzichtet werden.Performance figures Heat pump performance figures of 4.3 can be achieved with this heat pump (21 kW / 4.8 kW = 4.3). This is in contrast to the prior art, which only achieves a coefficient of performance of about 3.5 under the same conditions. Furthermore, can be completely dispensed with the use of lubricating oil.
Beispiel 2Example 2
Die in Fig. 2a-b gezeigte Anordnung zur Expansion eines Gases ist eine Expansionsmaschine eines ORC -Prozesses mit dem Arbeitsmittel Kohlendioxid und einem hydraulischen Axialkolbenmotor (Hersteller: Fa. Danfoss, DE), welcher als Hydraulik- flüssigkeit Wasser verwendet. Die in Fig. 2a gezeigte Anordnung entspricht im Wesentlichen der in Fig. 1 gezeigten Anordnung, außer daß die Rückschlagventile 103, 104, 105 und 106 an den Zylindern 107, 108 im Vergleich zu den Rückschlagventilen 3, 4, 5 und 6 an den Zylindern 7, 8 in ihrer Strömungsrichtung getauscht werden und die Hydraulikpumpe 11 durch einen Hydraulikmotor (Hm) 111 ersetzt wird. Zusätzlich müssen noch die beiden 3 -Wege- Ventile 119 und 120 jeweils in die Leitungen 101 und 102 eingebaut werden.The arrangement shown in Fig. 2a-b for the expansion of a gas is an expansion machine of an ORC process with the working fluid carbon dioxide and a hydraulic axial piston motor (manufacturer: Fa. Danfoss, DE), which uses water as hydraulic fluid. The arrangement shown in Fig. 2a is substantially the same as that shown in Fig. 1 except that the check valves 103, 104, 105 and 106 on the cylinders 107, 108 are compared to the check valves 3, 4, 5 and 6 on the cylinders 7, 8 are exchanged in their flow direction and the hydraulic pump 11 is replaced by a hydraulic motor (Hm) 111. In addition, the two 3-way valves 119 and 120 still have to be installed in the lines 101 and 102 respectively.
Die Rückschlagventile öffnen oder schließen nur, wenn eine Druckdifferenz zwischen den Komponenten besteht, zwischen denen sie eingebaut sind. Bei Strömungswech- sei, infolge der beiden 3 -Wege-Ventile, schließen die Rückschlagventile, da die Druckdifferenz zusammenbricht.The check valves open or close only when there is a pressure difference between the components between which they are installed. In the case of flow change due to the two 3-way valves, the check valves close because the pressure difference collapses.
Erwärmung und Kompression von CO 2Heating and compression of CO 2
In einer Hydraulikpumpe 15 wird flüssiges CO2 von 60 bar auf 100 bar komprimiert. Dabei erwärmt sich das CO2 von 19 0C auf 26 0C und nimmt eine Leistung von 4,5 kW von der Hydraulikpumpe 15, welche mit einem Wirkungsgrad von 95 % arbeitet, auf.In a hydraulic pump 15 liquid CO 2 is compressed from 60 bar to 100 bar. The CO 2 is heated from 19 0 C to 26 0 C and takes a power of 4.5 kW from the hydraulic pump 15, which operates with an efficiency of 95%, on.
Anschließend wird das CO2 in Leitung 101 zu einem Wärmetauscher 117 geführt und dort im Gegenstrom von Wasser auf 60 0C erwärmt und verdampft. Dabei entzieht das CO2 dem Wasser 157 kW an Wärmeleistung. Das Wasser stammt aus einer industriellen Abwärmequelle 118.Subsequently, the CO 2 is passed in line 101 to a heat exchanger 117 and there heated in countercurrent of water to 60 0 C and evaporated. The CO 2 removes 157 kW of heat from the water. The water comes from an industrial waste heat source 118.
Zustand vor Schritt Ia und Ib Vor den Schritten Ia und Ib ist der zweite Zylinder 7 vollständig mit Wasser gefüllt, während der erste Zylinder 8 vollständig mit CO2 gefüllt ist. Die Rückschlagventile 103, 104, 105 und 106 sind geschlossen.State before steps Ia and Ib Before steps Ia and Ib, the second cylinder 7 is completely filled with water while the first cylinder 8 is completely filled with CO 2 . The check valves 103, 104, 105 and 106 are closed.
Schritt Ia Vom Wärmeaustauscher 117 gelangt das CO2 in Leitung 101 über das 3 -Wege-Ventil 20 und das geöffnete Rückschlagventil 103 zum zweiten Zylinder 107. Der zweite Zylinder 107 ist nahezu vollständig mit Wasser gefüllt. Das dort nun eindringende CO2 verdrängt das Wasser mit 100 bar. Dieses Wasser wird nun über das 3-Wege- Ventil 109 zum Hydraulikmotor 111 geleitet, dort auf 60 bar entspannt und zum ersten Zylinder 108 über das 3-Wegeventil 110 geleitet (siehe Schritt Ib). Bei der Ent- Spannung gibt der Hydraulikmotor 111 14,9 kW Wellenleistung an den Generator 112 ab. Der Generator 112 wandelt dann die Wellenleistung in elektrische Leistung um. Dabei werden 14,2 kW elektrische Leistung einem Verbraucher zur Verfügung gestellt. Der Wirkungsgrad des Hydraulikmotors 111 beträgt dabei 92 % und der des Generator 95 %.Step Ia From the heat exchanger 117, the CO 2 in line 101 passes through the 3-way valve 20 and the open check valve 103 to the second cylinder 107. The second Cylinder 107 is almost completely filled with water. The now penetrating CO 2 displaces the water with 100 bar. This water is now passed via the 3-way valve 109 to the hydraulic motor 111, there relaxed to 60 bar and passed to the first cylinder 108 via the 3-way valve 110 (see step Ib). When the Ent- voltage of the hydraulic motor 111 outputs 14.9 kW shaft power to the generator 112 from. The generator 112 then converts the shaft power into electrical power. 14.2 kW electrical power is provided to a consumer. The efficiency of the hydraulic motor 111 is 92% and that of the generator 95%.
Schritt IbStep Ib
Gleichzeitig mit Schritt Ia füllt das im Hydraulikmotor 111 auf 60 bar entspannte Wasser den ersten Zylinder 108. Das dort befindliche CO2 wird über das geöffnete Rückschlagventil 105 und das Dreiwegeventil 119 isobar bei einem Druck von 60 bar in die Leitung 2 verdrängt.At the same time as step Ia, the water expanded to 60 bar in the hydraulic motor 111 fills the first cylinder 108. The CO 2 located there is isobarically displaced into the line 2 via the opened non-return valve 105 and the three-way valve 119 at a pressure of 60 bar.
Zustand nach Schritt Ia und IbCondition after step Ia and Ib
Nach den Schritten Ia und Ib ist der zweite Zylinder 7 vollständig mit CO2 gefüllt, während der erste Zylinder 8 nahezu vollständig mit Wasser gefüllt ist. Die Rück- schlagventile 103, 104, 105 und 106 sind geschlossen.After the steps Ia and Ib, the second cylinder 7 is completely filled with CO 2 , while the first cylinder 8 is almost completely filled with water. The check valves 103, 104, 105 and 106 are closed.
Schritt 2aStep 2a
Sobald der erste Zylinder 108 nahezu vollständig mit Wasser gefüllt ist, ändern die 3-Wegeventile 109, 110 und 119, 120 die Strömungsrichtungen, so daß nun das CO2 aus Leitung 101 über das Dreiwegeventil 120 und das geöffnete Rückschlagventil 106 in den ersten Zylinder 108 einströmen kann und nun dort das Wasser verdrängt. Das Wasser wird so geleitet, das es über die 3 -Wege-Ventile 109 und 110 und den Hydraulikmotor 111 zum den zweiten Zylinder 107 gelangt. Schritt 2bOnce the first cylinder 108 is almost completely filled with water, the 3-way valves 109, 110 and 119, 120 change the flow directions, so that now the CO 2 from line 101 via the three-way valve 120 and the open check valve 106 in the first cylinder 108th can flow in and now displaces the water there. The water is passed so that it passes through the 3-way valves 109 and 110 and the hydraulic motor 111 to the second cylinder 107. Step 2b
Gleichzeitig mit Schritt 2a füllt das im Hydraulikmotor 111 auf 60 bar entspannte Wasser den zweiten Zylinder 107. Das dort befindliche CO2 wird über das geöffnete Rückschlagventil 104 und Dreiwegeventil 119 isobar bei einem Druck von 60 bar in die Leitung 2 verdangt.At the same time as step 2a, the water relaxed in the hydraulic motor 111 to 60 bar fills the second cylinder 107. The CO 2 located there is isobarged via the open check valve 104 and three-way valve 119 isobar at a pressure of 60 bar in the line 2.
Zustand nach Schritt 2a und 2bCondition after step 2a and 2b
Nach den Schritten 2a und 2b ist der zweite Zylinder 7 nahezu vollständig mit Wasser gefüllt, während der erste Zylinder 8 nahezu vollständig mit CO2 gefüllt ist. Die Rückschlagventile 103, 104, 105 und 106 sind geschlossen. Dieser Zustand entspricht somit dem Zustand vor den Schritten Ia und Ib. Damit ist der Zyklus geschlossen und eine fortwährende Entspannung des CO2 gewährleistet.After the steps 2a and 2b, the second cylinder 7 is almost completely filled with water, while the first cylinder 8 is almost completely filled with CO 2 . The check valves 103, 104, 105 and 106 are closed. This state thus corresponds to the state before steps Ia and Ib. This completes the cycle and ensures continued relaxation of CO 2 .
Abkühlung und Verflüssigung des CO2 Über Leitung 102 gelangt nun das CO2 bei einem Druck von 60 bar und einer Temperatur von 23 0C in den Kondensator 13. Dort wird es im Gegenstrom von Kühlturmwasser auf 19 0C abgekühlt und verflüssigt. Anschließend gelangt das nun wieder flüssige CO2 zur Hydraulikpumpe 15.Cooling and liquefaction of the CO2 Via line 102 now passes the CO 2 at a pressure of 60 bar and a temperature of 23 0 C in the condenser 13. There it is cooled in countercurrent to cooling tower water to 19 0 C and liquefied. Subsequently, the now liquid CO 2 returns to the hydraulic pump 15th
Beispiel 2 zeigt, daß ein ORC -Prozeß, welcher mit der erfindungsgemäßen Anordnung zur Expansion eines Gases betrieben wird, durchaus im kleinen und mittleren Leistungsbereich und relativ niedrigen Temperaturen mit einfachen Mitteln technisch und wirtschaftlich realisierbar ist.Example 2 shows that an ORC process, which is operated with the arrangement according to the invention for the expansion of a gas, is quite technically and economically feasible in the small and medium power range and relatively low temperatures with simple means.
Die in Fig. 2b gezeigte Anordnung entspricht der in Fig. 2a gezeigten Anordnung, außer daß im Gegensatz zu Fig. 2a keine Rückschlagventile 103, 104, 105 und 106 an den Zylindern 107, 108 vorgesehen sind. Damit wird die Prozessführung weiter vereinfacht.The arrangement shown in Fig. 2b corresponds to the arrangement shown in Fig. 2a, except that in contrast to Fig. 2a, no check valves 103, 104, 105 and 106 are provided on the cylinders 107, 108. This further simplifies the process management.
Wird bei der in den Fig. 2a oder Fig. 2b gezeigten Ausführungsform Pumpe 115 durch ein Expansionsventil ersetzt oder ist ein Expansionsventil in Parallelschaltung zur Pumpe 115 vorgesehen, so ist es möglich, aus der Entspannung eines Gases heraus in dessen Verdichtung zu gelangen. Dabei werden lediglich die Ventile 119 und 120 so gesteuert, dass beim Erreichen eines gewählten Druckes diese abhängig vom komprimierenden oder saugenden Zylinder öffnen bzw. schließen. Diese Umschal- tung von der Entspannung eines Gases in die Verdichtung kann während des Betriebs erfolgen. Der Generator 112 dient dann als Motor und versorgt die Hydraulikpumpe 111 mit elektrischer Energie. Die Wärmequelle 118 dient dann als Wärmeverbraucher, und der Gaserhitzer 117 ist im Wärmepumpenbetrieb ein Gaskühler. In Folge dieser Umschaltung wird die Vorrichtung wahlweise als Wärmepumpe oder Kraft- werk betrieben. Somit können anfallende Wärmeüberschüsse in 118 in elektrische Energie umgewandelt werden oder Wärmebedarf kann durch Zufuhr von elektrischer Energie in Generator 112 und Abwärme aus Kühlwasserturm 114 dem Verbraucher 118 durch Verdampfung in Kondensator 113 und Kompression in den Einrichtungen 101 bis 111 in Form von hoch temperierter Wärme zugeführt werden.In the embodiment shown in FIGS. 2a or 2b, pump 115 is replaced by an expansion valve or an expansion valve is connected in parallel provided to the pump 115, it is possible to get out of the relaxation of a gas out in its compression. Only the valves 119 and 120 are controlled so that upon reaching a selected pressure these open or close depending on the compressing or sucking cylinder. This switching from the expansion of a gas into the compression can take place during operation. The generator 112 then serves as a motor and supplies the hydraulic pump 111 with electrical energy. The heat source 118 then serves as a heat consumer, and the gas heater 117 is a gas cooler in heat pump operation. As a result of this switching, the device is operated either as a heat pump or power plant. Thus, excess heat can be converted into electrical energy in 118 or heat demand can be supplied by supplying electrical energy in generator 112 and waste heat from cooling water tower 114 to the consumer 118 by evaporation in condenser 113 and compression in the devices 101 to 111 in the form of high-temperature heat become.
Beispiel 3Example 3
Die in Fig. 3 gezeigte Anordnung zur isothermen Kompression eines Gases entspricht der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform mit Ausnahme zweier zusätzlicher Wärme - tauscher, durch die Hydraulikflüssigkeit 20, 25 zur Abkühlung geführt wird. Gleiche Bezugszeichen haben dieselbe Bedeutung wie in Fig. 1. Als gasförmiges Arbeitsmittel wird Luft eingesetzt. Die Hydraulikflüssigkeit ist Wasser.The arrangement shown in FIG. 3 for the isothermal compression of a gas corresponds to the embodiment shown in FIG. 1, with the exception of two additional heat exchangers through which hydraulic fluid 20, 25 is led to cool down. Like reference numerals have the same meaning as in Fig. 1. As a gaseous working fluid, air is used. The hydraulic fluid is water.
Zustand vor Schritt Ia und Ib Vor den Schritten Ia und Ib ist der zweite Zylinder 7 vollständig mit der Hydraulikflüssigkeit gefüllt, während der erste Zylinder 8 vollständig mit Luft gefüllt ist. Die Rückschlagventile 3, 4, 5, und 6 sind geschlossen.State before steps Ia and Ib Before steps Ia and Ib, the second cylinder 7 is completely filled with the hydraulic fluid while the first cylinder 8 is completely filled with air. The check valves 3, 4, 5, and 6 are closed.
Schritt Ia In einen vollständig mit Luft gefüllten ersten Zylinder 8 strömt mittels Wärmetauscher 25 (siehe Schritt Ib) abgekühlte Hydraulikflüssigkeit über Düse 27 ein und komprimiert die dort befindliche Luft, bis sich ein erster vorgegebener Druck aufbaut. Die Kompressionswärme wird von der mittels Düse 27 versprühten Hydraulikflüssigkeit aufgenommen. Dabei erwärmt sich die Hydraulikflüssigkeit geringfügig, während die Luft lediglich den Anteil an Druckenergie aufnimmt und speichert und nur einen sehr geringen Teil der Kompressionswärme aufnimmt.Step 1a In a first cylinder 8, which is completely filled with air, cooled hydraulic fluid flows via nozzle 27 via heat exchanger 25 (see step Ib) compresses the air there until a first predetermined pressure builds up. The heat of compression is absorbed by the sprayed by means of nozzle 27 hydraulic fluid. In this case, the hydraulic fluid heats up slightly, while the air only absorbs and stores the proportion of pressure energy and absorbs only a very small part of the heat of compression.
Sobald der erste vorgegebene Druck im ersten Zylinder 8 erreicht ist, öffnet sich das dritte Rückschlagventil (Rv) 6 und läßt die Luft isobar in die Druckleitung (Dl) 1 entweichen, dabei baut sich der erste vorgegebene Druck in der Druckleitung 1 auf.As soon as the first predetermined pressure in the first cylinder 8 is reached, the third check valve (Rv) 6 opens and allows the air to escape isobarically into the pressure line (Dl) 1, during which the first predetermined pressure builds up in the pressure line 1.
Schritt IbStep Ib
Gleichzeitig mit Schritt Ia wird dem zweiten Zylinder 7 die benötigte Hydraulikflüssigkeit entnommen, durch das geöffnete Rückschlagventil 22 und das 3 -Wegeventil 9 geleitet und der Hydraulikpumpe (Hp) 11 zugeführt. Die Hydraulikpumpe 11 pumpt die Hydraulikflüssigkeit auf den ersten vorgegebenen Druck und läßt sie über das 3 -Wegeventil 10 und das geöffnete Rückschlagventil 24 zu Wärmetauscher 25 strömen. Dabei ist Rückschlagventil 26 geschlossen, um ein direktes Eindringen der Hydraulikflüssigkeit in den ersten Zylinder 8 zu verhindern.Simultaneously with step Ia the second cylinder 7, the required hydraulic fluid is removed, passed through the open check valve 22 and the 3-way valve 9 and the hydraulic pump (Hp) 11 is supplied. The hydraulic pump 11 pumps the hydraulic fluid to the first predetermined pressure and allows it to flow via the 3-way valve 10 and the open check valve 24 to the heat exchanger 25. In this case, check valve 26 is closed in order to prevent direct penetration of the hydraulic fluid into the first cylinder 8.
In Wärmetauscher 25 wird die Hydraulikflüssigkeit mit Kühlturmwasser, das eine niedrigere Temperatur als die Hydraulikflüssigkeit aufweist, im Gegenstromprinzip abgekühlt. Das Wasser stammt aus einem Kühlturm 21. Nach der Abkühlung der Hydraulikflüssigkeit in Wärmetauscher 25 strömt sie über die Düse 27 in den ersten Zylinder 8 ein (siehe Schritt Ia).In heat exchanger 25, the hydraulic fluid is cooled with cooling tower water, which has a lower temperature than the hydraulic fluid, in the countercurrent principle. The water comes from a cooling tower 21. After the cooling of the hydraulic fluid in heat exchanger 25, it flows via the nozzle 27 into the first cylinder 8 (see step Ia).
Während der Entnahme der Hydraulikflüssigkeit sinkt der Druck in dem zweiten Zylinder 7 auf den zweiten vorgegebenen Druck, der niedriger als der erste vorgegebene Druck ist. Sobald der zweite vorgegebene Druck im zweiten Zylinder 7 erreicht ist, öffnet sich das zweite Rückschlagventil 4 und läßt Luft aus der Saugleitung (Sl) 2 in den ersten Zylinder 7 einströmen. Zustand nach Schritt Ia und IbDuring the removal of the hydraulic fluid, the pressure in the second cylinder 7 decreases to the second predetermined pressure, which is lower than the first predetermined pressure. As soon as the second predetermined pressure is reached in the second cylinder 7, the second check valve 4 opens and allows air from the suction line (Sl) 2 to flow into the first cylinder 7. Condition after step Ia and Ib
Nach den Schritten Ia und Ib ist der zweite Zylinder 7 vollständig mit Luft gefüllt, während der erste Zylinder 8 vollständig mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt ist. Die Rückschlagventile 3, 4, 5, und 6 sind geschlossen.After the steps Ia and Ib, the second cylinder 7 is completely filled with air, while the first cylinder 8 is completely filled with hydraulic fluid. The check valves 3, 4, 5, and 6 are closed.
Schritt 2aStep 2a
In diesen Zustand ändern nun die beiden 3 -Wegeventile 9 und 10 die Strömungsrichtung des Wassers; dabei schließen die Rückschlagventile 4, 6, 22 und 24, so daß nun die Hydraulikflüssigkeit aus dem ersten Zylinder 8 über das geöffnete Rückschlag- ventil 26 und das 3 -Wegeventil 10 durch die Hydraulikpumpe 11 strömt. Das geschlossene Rückschlagventil 22 verhindert ein direktes Eindringen der Hydraulikflüssigkeit in den zweiten Zylinder 7. In der Hydraulikpumpe 11 erfährt die Hydraulikflüssigkeit eine Druckerhöhung vom zweiten vorgegebenen Druck auf den ersten vorgegebenen Druck. Danach wird die Hydraulikflüssigkeit über das 3 -Wegeventil 9 und das geöffnete Rückschlagventil 19 zu Wärmetauscher 21 geführt.In this state, now change the two 3-way valves 9 and 10, the flow direction of the water; In this case, the check valves 4, 6, 22 and 24 close, so that now the hydraulic fluid from the first cylinder 8 via the open check valve 26 and the 3-way valve 10 flows through the hydraulic pump 11. The closed check valve 22 prevents a direct penetration of the hydraulic fluid into the second cylinder 7. In the hydraulic pump 11, the hydraulic fluid undergoes a pressure increase from the second predetermined pressure to the first predetermined pressure. Thereafter, the hydraulic fluid is passed through the 3-way valve 9 and the open check valve 19 to the heat exchanger 21.
In Wärmetauscher 21 wird die Hydraulikflüssigkeit mit Kühlturmwasser, das eine niedrigere Temperatur als die Hydraulikflüssigkeit aufweist, im Gegenstromprinzip abgekühlt. Das Wasser stammt aus einen Kühlturm 21. Nach der Abkühlung der Hy- draulikflüssigkeit in Wärmetauscher 21 strömt sie über die Düse 23 in den zweiten Zylinder 7 und komprimiert dort die Luft vom zweiten vorgegebenen Druck auf den ersten vorgegebenen Druck. Sobald der erste vorgegebene Druck im zweiten Zylinder 7 erreicht ist, öffnet sich das erste Rückschlagventil 3 und läßt wiederum die Luft isobar in die Druckleitung 1 entweichen.In heat exchanger 21, the hydraulic fluid with cooling tower water, which has a lower temperature than the hydraulic fluid, cooled in the countercurrent principle. The water comes from a cooling tower 21. After the cooling of the hydraulic fluid in heat exchanger 21, it flows via the nozzle 23 into the second cylinder 7, where it compresses the air from the second predetermined pressure to the first predetermined pressure. As soon as the first predetermined pressure in the second cylinder 7 has been reached, the first check valve 3 opens and in turn allows the air to escape isobarically into the pressure line 1.
Die Kompressionswärme wird von der mittels Düse 23 versprühten Hydraulikflüssigkeit aufgenommen. Dabei erwärmt sich die Hydraulikflüssigkeit geringfügig, während die Luft lediglich den Anteil an Druckenergie aufnimmt und speichert und nur einen sehr geringen Teil der Kompressionswärme aufnimmt. Schritt 2bThe heat of compression is absorbed by the sprayed by means of nozzle 23 hydraulic fluid. In this case, the hydraulic fluid heats up slightly, while the air only absorbs and stores the proportion of pressure energy and absorbs only a very small part of the heat of compression. Step 2b
Gleichzeitig mit Schritt 2a fällt im ersten Zylinder 8 hingegen der Druck. Sobald der Druck im zweiten Zylinder den zweiten vorgegebenen Druck erreicht hat, öffnet sich das vierte Rückschlagventil 5 und läßt Luft aus der Saugleitung 2 in den Zylinder 8 einströmen. Sobald der zweite Zylinder 7 vollständig mit Luft gefüllt ist, ändern die beiden 3 -Wegeventile 9 und 10 die Strömungsrichtung der Hydraulikfiüssigkeit, so daß nun die Hydraulikfiüssigkeit vom zweiten Zylinder 7 über die Hydraulikpumpe 11 und dem Wärmetauscher 21 zu dem ersten Zylinder 8 strömt und in diesen über Düse 27 eingeleitet wird.At the same time as step 2a, however, the pressure in the first cylinder 8 drops. As soon as the pressure in the second cylinder has reached the second predetermined pressure, the fourth check valve 5 opens and allows air from the suction line 2 to flow into the cylinder 8. As soon as the second cylinder 7 is completely filled with air, the two 3-way valves 9 and 10 change the flow direction of the hydraulic fluid, so that now the hydraulic fluid from the second cylinder 7 via the hydraulic pump 11 and the heat exchanger 21 flows to the first cylinder 8 and this is introduced via nozzle 27.
Zustand nach Schritt 2a und 2bCondition after step 2a and 2b
Nach den Schritten 2a und 2b ist der zweite Zylinder 7 vollständig mit Hydraulikfiüssigkeit gefüllt, während der erste Zylinder 8 vollständig mit Luft gefüllt ist. Dieser Zustand entspricht somit dem Zustand vor den Schritten Ia und Ib. Die Rückschlag- ventile 3, 4, 5 und 6 sind geschlossen. Damit ist der Zyklus geschlossen und eine fortwährende Komprimierung des Luft unter Abfuhr an Kompressionswärme gewährleistet.After the steps 2a and 2b, the second cylinder 7 is completely filled with Hydraulikfiüssigkeit, while the first cylinder 8 is completely filled with air. This state thus corresponds to the state before steps Ia and Ib. The check valves 3, 4, 5 and 6 are closed. This closes the cycle and ensures continuous compression of the air while dissipating heat of compression.
Weitere Bestandteile der dritten Ausführungsform der ErfindungFurther components of the third embodiment of the invention
Die übrigen Bestandteile und Verfahrensschritte sind in den Abschnitten „Abkühlung und Entspannung des CO2" und „Verdampfen und Erwärmen des CO2" des Beispiels 1 und in Fig. 3 beschrieben, wobei in Beispiel 3 Luft anstelle CO2 von als gasförmiges Arbeitsmittel eingesetzt wird. Alternativ kann an die Druckleitung 1 ein Speicher- gefäß beispielsweise für Luft (Druckluft) angebracht werden. Die Saugleitung würde dann der Atmosphäre die Ansaugluft entziehen. Die Abwärmequelle 21 (Kühlquelle) könnte ein Speichergefäß für Wasser sein, in dem das für die Kühlung der Hydraulikfiüssigkeit benötigte Wasser gespeichert wird. An ihm könnten zusätzlich andere Ab- wärmequellen oder Solarkollektoren angeschlossen werden, die den Inhalt des Spei- chergefäßes bei Stillstand weiter erwärmen. Diese Wärme kann bei Bedarf später der gespeicherten Luft über Wärmetauscher wieder zurückgegeben werden, welche dann über einen Kraftprozeß beispielsweise den beschriebenen Entspannungsprozeß entspannt werden kann und zu einem sehr hohen Wirkungsgrad größer 80 % (bei Berücksichtigung der kostenlosen Abwärmequelle) in elektrische oder mechanische Energie umgewandelt werden.The remaining components and process steps are described in the sections "Cooling and relaxation of CO 2 " and "Evaporation and heating of CO 2 " of Example 1 and in Fig. 3, wherein in Example 3 air instead of CO 2 is used by as a gaseous working fluid , Alternatively, a storage vessel, for example, for air (compressed air) can be attached to the pressure line 1. The suction line would then extract the intake air from the atmosphere. The waste heat source 21 (cooling source) could be a storage vessel for water, in which the water required for the cooling of the hydraulic fluid is stored. In addition, other waste heat sources or solar collectors could be connected to it, which further heat the contents of the storage vessel at standstill. This heat can be returned later, if necessary, the stored air through heat exchangers again, which then can be relaxed by a force process, for example, the relaxation process described and to a very high efficiency greater than 80% (taking into account the free waste heat source) are converted into electrical or mechanical energy.
Beispiel 4Example 4
Unter Bezugnahme auf Figur 4 wird eine vierte Ausführungsform der Erfindung zur Umwandlung von Wärme in technische Arbeit beschrieben. Diese findet beispiels- weise bei Druckluftspeichern Verwendung. Dabei wird ein unter Druck stehendes und auf eine höhere Temperatur als die der Umgebung erhitztes Gas als Arbeitsmedium verwendet. Diese Vorrichtung soll dabei die Turbine ersetzen und einen wesentlich höheren exergetischen Ausnutzungsgrad erreichen.Referring to Figure 4, a fourth embodiment of the invention for converting heat to engineering will be described. This is used, for example, in compressed air storage. In this case, a pressurized and heated to a higher temperature than that of the surrounding gas is used as the working medium. This device is intended to replace the turbine and achieve a much higher exergetic utilization.
Im Ausgangszustand ist Behälter 208 vollständig mit einer Hydraulikflüssigkeit (Hf) gefüllt, während Behälter 207 nur durch unter atmosphärischem Druck stehende Luft gefüllt ist. Die Ventile 203 bis 206 sind geschlossen.In the initial state, container 208 is completely filled with a hydraulic fluid (Hf), while container 207 is filled only by air under atmospheric pressure. The valves 203 to 206 are closed.
Schritt 1 Die aus Leitung 202 unter Druck strömende Luft wird über das sich öffnende Ventil 206 in den Behälter 208 geleitet. Dabei nimmt die Hydraulikflüssigkeit den gleichen Druck an wie die einströmende Luft. Die nun unter Druck stehende Hydraulikflüssigkeit wird durch entsprechende Stellung der Ventile 211 und 212 über den Hydraulikmotor 215 in den Behälter 207 entspannt. Dabei nimmt die Hydraulikflüssigkeit Um- gebungsdruck an, da das Ventil nun geöffnet ist. In Folge der Entspannung wird mechanische Energie am Hydraulikmotor 215 abgegeben. Gleichzeitig wird durch Stellung der Ventile 209 und 210 die Hydraulikflüssigkeit aus dem Behälter 208 durch die Pumpe 214 umgewälzt sowie durch die Wärmequelle 213 erwärmt. In der Düse 218 wird die Hydraulikflüssigkeit wieder in den Behälter 208 versprüht. Dadurch wird die einströmende Luft trotz Entspannung auf ihrem Temperaturniveau gehalten. Dieser Vorgang findet so lange statt, bis so viel Luftmasse im Behälter 208 ist, dass diese bei Umgebungsdruck den Behälter 208 vollständig ausfüllt. Bei Erreichen dieses Zustan- des schließt Ventil 206, und es findet durch Zufuhr von Wärme aus Wärmequelle 213 eine isotherme Entspannung statt.Step 1 The air flowing under pressure from line 202 is directed into the container 208 via the opening valve 206. The hydraulic fluid assumes the same pressure as the incoming air. The now pressurized hydraulic fluid is released by appropriate position of the valves 211 and 212 via the hydraulic motor 215 in the container 207. The hydraulic fluid assumes ambient pressure because the valve is now open. As a result of the relaxation, mechanical energy is delivered to the hydraulic motor 215. At the same time, by positioning the valves 209 and 210, the hydraulic fluid from the reservoir 208 is circulated by the pump 214 and heated by the heat source 213. In the nozzle 218, the hydraulic fluid is sprayed into the container 208 again. As a result, the incoming air is maintained at its temperature level despite relaxation. This process takes place until so much air mass in the container 208 that this at Ambient pressure completely fills the container 208. When this condition is reached, valve 206 closes and isothermal expansion takes place by the supply of heat from heat source 213.
Schritt 2step 2
Wenn der Druck im Behälter 208 gleich groß dem im Behälter 207 ist und Behälter 207 vollständig mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt ist, schalten die Ventile 209 bis 212 um, und das Ventil 204 wird geschlossen. Anschließend wird Ventil 203 und 206 geöffnet. Nun gelangt die heiße und unter Druck stehende Luft in den Behälter 207 und beaufschlagt die Hydraulikflüssigkeit mit Druck. Diese wird nun über den Hydraulikmotor 215 in den Behälter 208 geleitet und dabei entspannt, dies geschieht unter Abgabe von mechanischer Energie. Gleichzeitig wird durch Umwälzung der Hydraulikflüssigkeit aus Behälter 207 und Erwärmung durch Wärmequelle 213 die einströmende Luft durch Erwärmung aus der in den Behälter 207 strömenden Hydraulikflüs- sigkeit aus Düse 217 erwärmt. Dabei kommt es wieder zur isothermen Entspannung, bis so viel Luft in Behälter 207 gelangt ist, dass diese unter Umgebungsdruck den Behälter 207 vollständig ausfüllt. Bei Erreichen dieses Zustandes schließt das Ventil 203 und es findet durch Zufuhr von Wärme aus Wärmequelle 213 weiter eine isotherme Entspannung statt. Wenn Behälter 208 vollständig mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt ist, kommt es zur Umschaltung der Ventile 209 bis 212, Schließung des Ventils 205 und Öffnung des Ventils 206.When the pressure in the container 208 is equal to that in the container 207 and container 207 is completely filled with hydraulic fluid, the valves 209 to 212 switch over and the valve 204 is closed. Subsequently, valves 203 and 206 are opened. Now the hot and pressurized air enters the container 207 and pressurizes the hydraulic fluid. This is now passed through the hydraulic motor 215 in the container 208 and thereby relaxed, this is done with the release of mechanical energy. At the same time, by circulating the hydraulic fluid from container 207 and heating it by heat source 213, the incoming air is heated from nozzle 217 by heating from the hydraulic fluid flowing into container 207. It comes back to isothermal relaxation until so much air has entered container 207 that it completely fills the container 207 under ambient pressure. When this condition is reached, the valve 203 closes and an isothermal expansion continues by supplying heat from the heat source 213. When container 208 is completely filled with hydraulic fluid, the valves 209 to 212 are switched over, the valve 205 is closed and the valve 206 is opened.
Damit ist der Kreislauf zu Schritt 1 erreicht. Die kontinuierlich anfallende mechanische Arbeit wird durch den Generator 216 in elektrische Energie umgewandelt.This completes the cycle to step 1. The continuous mechanical work is converted by the generator 216 into electrical energy.
Dieser Prozess ermöglicht eine isotherme Entspannung und erlaubt somit die physikalisch bestmögliche Umwandlung von Wärme in hochwertige mechanische oder elektrische Energie. Beispiel 5This process allows for isothermal relaxation, allowing for the best physical conversion of heat into high-quality mechanical or electrical energy. Example 5
Es wird eine Ausführungsform eines Niedertemperatur-Kraftprozesses beschrieben. In diesem Beispiel wird ein Verfahren zur Umwandlung von industrieller Niedertemperaturwärme in elektrische Energie mittels der in Fig. 5 gezeigten Vorrichtung be- schrieben. Um Totzeiten an der Kraftmaschine zu vermeiden, werden, statt notwendigerweise zwei, vier Behälter verwendet.An embodiment of a low temperature power process will be described. In this example, a method of converting low-temperature industrial heat into electrical energy by means of the apparatus shown in FIG. 5 will be described. In order to avoid dead times on the engine, instead of necessarily two, four containers are used.
Im Ausgangszustand sind die Behälter 301 und 303 mit einer Kohlendioxidmasse von 64 kg befüllt, während die Behälter 302 und 4 lediglich mit 13 kg befüllt sind. Die Innenvolumina aller Behälter 301 bis 304 sind gleich groß und liegen bei 0,1 m3. Ebenfalls sind Druck und Temperatur aller Behälter gleich groß, wobei der Druck sich in Abhängigkeit von der Temperatur einstellt. Da die Behälter eine Temperatur von 15 0C aufweisen, herrscht in allen ein Druck von 50 bar. Die Ventile 309 bis 312 sind alle in Stellung A->B, so dass die Behälter zunächst keine Verbindung untereinander aufweisen und ein in sich geschlossenes Volumen haben.In the initial state, the containers 301 and 303 are filled with a carbon dioxide mass of 64 kg, while the containers 302 and 4 are filled with only 13 kg. The inner volumes of all containers 301 to 304 are the same size and are at 0.1 m 3 . Also, the pressure and temperature of all containers are the same size, the pressure is adjusted depending on the temperature. Since the containers have a temperature of 15 0 C, prevails in all a pressure of 50 bar. The valves 309 to 312 are all in position A-> B, so that the container initially have no connection with each other and have a self-contained volume.
Schritt 1Step 1
Die Ventile 316 und 317 sind in Stellung C-^A geöffnet, somit gelangt Abwärme mit einer Temperatur von 60 0C von der Abwärmequelle 324 durch den Wärmetauscher 305 in den Behälter 301. Dabei kommt es zur Erwärmung des Kohlendioxides sowie Erhöhung des Behälterdruckes auf 160 bar, durch isochore Zustandsänderung (ZÄ). Gleichzeitig sind die Ventile 322 und 323 in Stellung A->B und lassen aus der Wärmesenke 325 Wasser mit einer Temperatur von 10 0C durch den Wärmetauscher 308 fließen. Durch die Kühlung des Wärmetauschers 308 kommt es in Behälter 304 zur Kondensation, wobei sich ein Dampfdruck im Behälter von 45 bar einstellt. Diese Druckdifferenz zwischen Behälter 301 und 304 wird nun durch Umschalten der Ventile 309 und 312 freigegeben. Dabei strömt das Kohlendioxid aus Behälter 301 durch den Wärmeübertrager 315, wo es gegebenenfalls unterkühlt wird, in den Hydraulikmotor 313. In ihm kommt es zur Entspannung auf den Kondensationsdruck, welcher im Behälter 304 herrscht. Das entspannte Kohlendioxid wird anschließend in den Behälter 304 geleitet und füllt diesen. Durch fortwährende Zufuhr bei der Entspannung im Behälter 301 durch Wärme, wird dieser auf einer Temperatur von 60 0C gehalten, dadurch kommt es zur isothermen Entspannung. Der Behälter 304 wird ebenfalls fortwährend mit der Wärmesenke 325 gekühlt. Zur selben Zeit gehen die Ventile 318 und 319 in Stellung A->B und kühlen den Behälter 302 auf einen Kondensations- druck von 45 bar, während durch Stellung der Ventile 320 und 321 und Zufuhr von Wärme aus der Wärmequelle 324, der Behälter 303 auf einen Druck von 160 bar durch isochore Zustandsänderung gebracht wird.The valves 316 and 317 are open in position C- A, thus waste heat at a temperature of 60 0 C from the waste heat source 324 passes through the heat exchanger 305 in the container 301. It comes to heating of the carbon dioxide and increase the tank pressure to 160 bar, by isochoric state change (ZÄ). At the same time, the valves 322 and 323 in position A-> B and let flow from the heat sink 325 water at a temperature of 10 0 C through the heat exchanger 308. Due to the cooling of the heat exchanger 308, condensation occurs in container 304, whereby a vapor pressure in the container of 45 bar occurs. This pressure difference between containers 301 and 304 is now released by switching valves 309 and 312. In this case, the carbon dioxide flows from container 301 through the heat exchanger 315, where it is optionally supercooled, in the hydraulic motor 313. In it comes to relax on the condensation pressure which prevails in the container 304. The expanded carbon dioxide is then passed into the container 304 and fills it. By continuous intake while relaxing In the container 301 by heat, this is maintained at a temperature of 60 0 C, thereby resulting in isothermal relaxation. The container 304 is also continuously cooled with the heat sink 325. At the same time, the valves 318 and 319 go to position A-> B and cool the container 302 to a condensation pressure of 45 bar, while by positioning the valves 320 and 321 and supplying heat from the heat source 324, the container 303 on a pressure of 160 bar is brought by isochoric state change.
Schritt 2 Ist der Druckausgleich zwischen Behälter 301 und 304 abgeschlossen, gehen die Ventile 316 und 317 in Stellung A->B sowie die Ventile 322 und 323 in Stellung A->C. Dadurch wird nun der mit Kohlendioxid gefüllte Behälter 304 mit Wärme aus der Wärmequelle 324 erwärmt. Dabei baut dieser durch isochore Zustandsänderung einen Druck von 160 bar auf. Das im Behälter 301 auf 13 kg reduzierte Kohlendioxid wird durch die Umschaltung der Ventile 316 und 317 nun mit Hilfe der Wärmesenke 325 gekühlt, wobei sich ein Kondensationsdruck von 45 bar einstellt. Zuvor gehen die Ventile 309 und 310 in Stellung A->B und schließen die Behälter 301 und 304, während die Behälter 302 und 303 durch die Ventile 310 und 311, Stellung C^B hydraulisch verbunden werden. Dadurch kommt es zum Druckausgleich zwischen den Be- hältern 303 und 302, wobei das Kohlendioxid aus Behälter 303 durch den Wärmetauscher 315 und den Hydraulikmotor 313 in den Behälter 302 strömt. Durch die Entspannung auf Kondensationsdruck von Behälter 302 in den Hydraulikmotor 313 kommt es zur Abgabe von mechanischer Energie im Hydraulikmotor 313. Dies geschieht wieder fortwährend durch Energiezufuhr im Behälter 303 und Kühlung des Behälters 302, bis sich ein Druckausgleich eingestellt hat.Step 2 When pressure equalization between tanks 301 and 304 is complete, valves 316 and 317 go to position A-> B and valves 322 and 323 go to position A-> C. As a result, the container 304 filled with carbon dioxide is heated with heat from the heat source 324. This builds up by isochoric state change to a pressure of 160 bar. The reduced in the container 301 to 13 kg of carbon dioxide is cooled by the switching of the valves 316 and 317 now using the heat sink 325, with a condensation pressure of 45 bar sets. Previously, the valves 309 and 310 go to position A-> B and close the containers 301 and 304, while the containers 302 and 303 are hydraulically connected by the valves 310 and 311, position C ^ B. This results in pressure equalization between the containers 303 and 302, wherein the carbon dioxide from container 303 flows through the heat exchanger 315 and the hydraulic motor 313 into the container 302. By relaxing to condensation pressure of container 302 in the hydraulic motor 313, there is the release of mechanical energy in the hydraulic motor 313. This happens again continuously by energy supply in the container 303 and cooling of the container 302 until a pressure equalization has set.
Schritt 3step 3
Ist der Druckausgleich zwischen Behälter 303 und 302 erreicht, gehen die Ventile 310 und 311 in Stellung A->B und schließen die Behälter wieder, während die Ventile 309 und 312 in Stellung C-^A bzw. C-^B gehen. Durch weiteres Umschalten derWhen pressure equalization between tanks 303 and 302 is achieved, valves 310 and 311 go to position A-> B and close the tanks again, while valves 309 and 312 go to positions C- ^ A and C- B, respectively. By further switching the
Ventile 318 und 319 in Stellung C^A sowie der Ventile 320 und 321 in Stellung A->B kommt es in Behälter 302 zur Erwärmung und Druckanstieg auf 160 bar, während in Behälter 303 durch Kühlung sich ein Druck von 45 bar einstellt. Gleichzeitig wird die Druckdifferenz die zwischen Behälter 304 und 301 herrscht, durch den Hydraulikmotor abgebaut, wobei jetzt Behälter 304 einen Druck von 160 bar aufweist, während in Behälter 301 ein Druck von 45 bar herrscht. Dies geschieht wieder unter Zufuhr von Wärme in Behälter 304, während Behälter 301 durch die Wärmesenke 325 gekühlt wird.Valves 318 and 319 in position C ^ A and the valves 320 and 321 in position A-> B it comes in container 302 for heating and pressure increase to 160 bar, while in container 303 by cooling, a pressure of 45 bar sets. At the same time, the pressure difference prevailing between container 304 and 301, degraded by the hydraulic motor, now container 304 has a pressure of 160 bar, while in container 301, a pressure of 45 bar prevails. This is again done by supplying heat to container 304 while container 301 is cooled by heat sink 325.
Schritt 4 Ist der Druckausgleich zwischen Behälter 304 und 301 erreicht, schalten die Ventile 309 und 312 wieder in Stellung A->B, während die Ventile 310 und 311 in Stellung C-^A gehen. Dabei kommt es wieder zum Druckabbau zwischen den Behältern 302 und 303, während die Behälter 301 und 304 einen Druckunterschied durch Umschalten der Ventile 316 und 317, in Stellung C^A, und die Ventile 322 und 323, in Stel- lung A->B aufbauen.Step 4 Once the pressure equalization between tanks 304 and 301 has been reached, valves 309 and 312 return to position A-> B, while valves 310 and 311 go to position C-A. The pressure drops between the containers 302 and 303 again, while the containers 301 and 304 produce a pressure difference by switching the valves 316 and 317, in position C ^ A, and the valves 322 and 323, in position A-> B build up.
Ist der Druckausgleich zwischen Behälter 302 und 303 erreicht, schließt sich durch Umschalten der Ventile 310 und 311, in Stellung A->B, sowie durch Umschalten der Ventile 309 und 312, in Stellung C->B bzw. C->A der Kreis und der Ausgangspunkt zu Schritt 1 ist vollzogen. Dadurch ist eine fortwährende Abgabe von mechanischer Energie an den Generator 314 gewährleistet, wobei eine Umwandlung von niedertemperierter Abwärme in hochwertige elektrische Energie erfolgt. If the pressure equalization between tank 302 and 303 is reached, closes by switching the valves 310 and 311, in position A-> B, and by switching the valves 309 and 312, in position C-> B or C-> A the circle and the starting point to step 1 is completed. This ensures a continuous release of mechanical energy to the generator 314, wherein a conversion of low-temperature waste heat into high-quality electrical energy takes place.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Druckleitung1 pressure line
2 Saugleitung2 suction line
3 erstes Rückschlagventil3 first check valve
4 zweites Rückschlagventil4 second check valve
5 viertes Rückschlagventil5 fourth check valve
6 drittes Rückschlagventil6 third check valve
7 zweiter Zylinder7 second cylinder
8 erster Zylinder8 first cylinder
9 3 -Wege- Ventil9 3-way valve
10 3 -Wege- Ventil10 3-way valve
11 Hydraulikpumpe11 hydraulic pump
12 Elektromotor12 electric motor
13 Gaskühler13 gas coolers
14 innerer Wärmeübertrager14 internal heat exchanger
15 Expansionsventil15 expansion valve
16 Verdampfer16 evaporators
17 Verbraucher17 consumers
18 Brunnen18 wells
19 Rückschlagventil19 check valve
20 Wärmetauscher20 heat exchangers
21 Abwärmequelle21 waste heat source
22 Rückschlagventil22 check valve
23 Düse im zweiten Zylinder 723 nozzle in the second cylinder 7
24 Rückschlagventil24 check valve
25 Wärmetauscher25 heat exchangers
26 Rückschlagventil26 check valve
27 Düse im zweiten Zylinder 827 nozzle in the second cylinder 8
101 erste Leitung 102 zweite Leitung101 first line 102 second line
103 erstes Rückschlagventil103 first check valve
104 zweites Rückschlagventil104 second check valve
105 viertes Rückschlagventil 106 drittes Rückschlagventil105 fourth check valve 106 third check valve
107 zweiter Zylinder107 second cylinder
108 er ster Zy linder108 he died
109 3 -Wege- Ventil109 3-way valve
110 3-Wege- Ventil 111 Hydraulikmotor110 3-way valve 111 Hydraulic motor
112 Generator112 generator
113 Kondensator113 capacitor
114 Kühlwasserturm114 cooling water tower
115 Hydraulikpumpe 116 Elektromotor115 Hydraulic pump 116 Electric motor
117 Wärmetauscher117 heat exchangers
118 Abwärmequelle118 waste heat source
119 zweites 3 -Wege- Ventil119 second 3-way valve
120 erstes 3 -Wege- Ventil120 first 3-way valve
202 Leitung202 line
203 - 206 Ventile 207 Behälter203 - 206 valves 207 containers
208 Behälter208 containers
209 - 212 Ventile209 - 212 valves
213 Wärmequelle213 heat source
215 Hydraulikmotor 216 Generator215 hydraulic motor 216 generator
217 Düse 218 Düse217 nozzle 218 nozzle
301-304 Behälter301-304 container
305 - 308 Wärmetauscher 309-312 Ventile305 - 308 heat exchangers 309-312 valves
313 Hydraulikmotor313 hydraulic motor
314 Generator314 generator
315 Wärmeübertrager 316-323 Ventile 324 Wärmequelle315 Heat exchanger 316-323 Valves 324 Heat source
325 Wärmesenke 325 heat sink
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