SAM : hv Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Anlagen sowie Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie bekannt. Es sind beispielsweise Wärmekraftanlagen bekannt, in denen in einem Kessel ein Arbeitsmittel bei einem hohen Druck isobar bis zum Siedepunkt erwärmt wird, verdampft und anschließend in einem Überhitzer noch überhitzt wird. Der Dampf wird anschließend in einer Turbine unter Verrichtung von Arbeit adiabat entspannt und in einem Kondensator unter Wärmeabgabe verflüssigt. Die Flüssigkeit wird von der Speisewasserpumpe auf einen Druck gebracht und wieder in den Kessel gefördert. Einer der Nachteile dieser Vorrichtungen ist, dass bei den Entspannungsprozessen in Turbinen hohe Drücke von über 15 bar bis 200 bar erzeugt werden müssen, da bei Turbinen das realisierte Druckverhältnis der Entspannung fur den erreichten Wirkungsgrad entscheidend ist.

Des Weiteren sind Kältemaschinen bekannt, bei denen Kondensationsabwärme anfällt, die nachteiligerweise als Verlustwärme abgeführt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Anlage zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie zu schaffen, die die genannten Nachteile vermeiden, insbesondere einen verbesserten Wirkungsgrad aufweisen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 vorgeschlagen. In den abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Weiterbildungen ausgeführt.

Dazu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Entspannung in einer Niederdruck- Entspannungsvorrichtung erfolgt und die im entspannten dampfförmigen Arbeitsmittel enthaltende Energie in den Verdampfer rückführbar ist, die zur Verdampfung zusätzlichen Arbeitsmittels nutzbar ist. Vorzugsweise weist das Verfahren eine erste Komponente des Arbeitsmittels auf, das durch ein Gemisch gebildet ist, in und/oder nach der Niederdruck- Entspannungsvorrichtung mittels eines Absorptionsmittels absorbiert wird, wobei Wärme auf die verbleibende, dampfförmige zweite Komponente übergeht, die rückführbar ist. In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Gemisch bei einem bestimmten Mischungsverhältnis der Komponenten ein Azeotrop mit Siedepunktminimum. Bei azeotrop verdampfenden Gemischen mit Siedepunktminimum lassen sich je nach Typ die Verdampfungstemperaturen absenken, so dass diese unter den Kondensationstemperaturen der einzelnen Komponenten liegen. Wird aus dem Dampfgemisch adiabat die erste Komponente absorbiert, so geht die entsprechende Wärme auf die dampfförmig verbleibende zweite Komponente über. Der Entzug der Kondensationswärme kann dadurch auf einem erhöhten Temperaturniveau erfolgen. Insbesondere kann bei geeignet ausgewählten Azeotropmischungen die zweite dampfförmige Komponente im Verdampfer des Arbeitsmittels selbst unter Abgabe der Kondensationswärme kondensiert werden, so dass der entsprechende Anteil der Wärmeenergie in den Prozess zurückgeführt werden kann. Sofern die zu absorbierende erste Komponente Wasser ist, kann als Absorptionsmittel beispielsweise eine alkalische Silikatlösung eingesetzt werden.

Das Arbeitsmittel, beispielsweise ein azeotropes Gemisch aus Wasser und Perchloräthylen, wird durch die in der Kältemaschine anfallende Kondensationswärme verdampft. Die Absorption, bei der erfindungsgemäß die anfallende Absorptionswärme auf die zweite dampfförmig verbleibende Komponente übertragen wird, wodurch sich diese Komponente auf ein Temperaturniveau oberhalb der Siedetemperatur des azeotropen Gemisches erwärmt, kann in und/oder nach der Entspannungsvorrichtung erfolgen. Einer der wesentlichen Vorteile ist hierbei, dass durch die Entspannung des azeotropen Gemisches mechanische Energie "gewonnen"werden kann und gleichzeitig das entspannte Arbeitsmittel, das im Entspannungsprozess bereits"Arbeit"geleistet hat, durch die Trennung (Absorption) der ersten von der zweiten Komponente sich aufgrund der freiwerdenden Absorptionswärme erwärmt. Hierbei kann das verbleibende Arbeitsmittel nach der Entspannung zurückgefiihrt werden, um beispielsweise in einem Wärmetauscher seine Wärme abzugeben. Zum Beispiel ist es in einer Ausgestaltung der Erfindung möglich, dass das verbleibende Arbeitsmittel (nur zweite Komponente) in einen Wärmetauscher (Verdampfer) geleitet wird, in dem das verbleibende Arbeitsmittel kondensiert und aufgrund der entstehenden Kondensationswärme das flüssige Arbeitsmittel mit der ersten und der zweiten Komponente verdampft und anschließend wieder in die Entspannungsvorrichtung geführt wird. Hierdurch kann erfindungsgemäß der Wirkungsgrad des Verfahrens zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie wesentlich verbessert werden.

Das Arbeitsmittel ist vorzugsweise durch ein azeotropes Gemisch mit Siedepunktminimum oder nahezu azeotropes Gemisch gebildet. Im folgenden wird die Erfindung mit einem azeotropen Gemisch beschrieben, selbstverständlich kann die Erfindung ebenfalls auf nahezu azeotrope Gemische beziehungsweise auf nicht azeotrope Gemische bezogen werden. Hohe Wirkungsgrade lassen sich besonders mit einem azeotropen oder einem nahezu azeotropen Gemisch erzielen. Bei einem Einsatz eines azeotropen Gemisches können je nach Typ die Verdampfungstemperaturen abgesenkt werden, so dass diese unter den Verdampfungstemperaturen der einzelnen Komponenten liegen.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Arbeitsmittel eine geringe volumenspezifische beziehungsweise geringe molare Verdampfungsenthalpie auf. Damit wird erreicht, dass mit einer vorgegebenen Menge an Wärmeenergie eine große Menge an Treibdampf erzeugt wird.

Vorzugsweise ist das Arbeitsmittel ein Lösemittelgemisch, das organische und/oder anorganische Lösemittelkomponenten aufweist. Beispiele hierfür sind etwa Gemische aus Wasser und ausgewählten Silikonen. Vorteilhafterweise kann mindestens eine Komponente ein protisches Lösemittel sein.

Bei einer alternativen Ausführungsform ist das Absorptionsmittel ein reversibles immobilisierbares Lösemittel, das in dem nicht-immobilisierten Aggregatzustand die erste Komponente des Arbeitsmittels ist. Das reversible Lösemittel im siedenden Arbeitsmittel kann sich vorteilhafterweise durch physikalisch-chemische Veränderungen so verändern, in dem es durch Ionisieren oder Komplexbildung aus der Dampfphase von dem nicht- immobilisierten Zustand in den reversibel immobilisierten Zustand verändert werden kann und in der nicht-immobilisierten Form als Absorptionsmittel für das Arbeitsmittel wirkt.

Somit enthält das dampfförmige Arbeitsmittel vor der Entspannung bereits das Absorptionsmittel (im nicht-immobilisierten Zustand). Das reversibel immobilisierte Lösemittel ist in einem dampfförmigen Aggregatzustand und geht durch physikalisch- chemische Veränderungen-wie zum Beispiel pH-Verschiebung, Veränderung des Molenbruches und der Temperatur in seiner Flüchtigkeit und/oder in seinem Dampfdruck-in den flüssigen Zustand über (vergleichbar mit Dampf als Lösemittel in nicht-immobilisierter Form und Wasser als reversibel immobilisierbares Lösemittel). Der Vorteil ist hierbei, dass das Arbeitsmittel aus zwei Komponenten besteht, wobei gleichzeitig die eine Komponente im reversiblen immobilisierten Zustand als Absorptionsmittel für die andere Komponente wirkt.

Als pH-abhängige reversibel immobilisierbare Lösemittel können beispielsweise zyklische Stickstoffverbindungen-wie Pyridine-eingesetzt werden.

Die Absorption der ersten Komponente kann beispielsweise bereits in der Niederdruck- Entspannungsvorrichtung erfolgen. Des Weiteren ist es selbstverständlich möglich, dass eine Absorptionsvorrichtung, zum Beispiel als Wäscher ausgeführt, der der Niederdruck- Entspannungsvorrichtung nachgeschaltet ist. In einer möglichen Ausgestaltung kann in der Absorptionsvorrichtung die Ionisierung des reversibel immobilisierbaren Lösemittels durch eine Elektrolyse oder durch ein Zusetzen von Elektrolyten erfolgen, wodurch das Lösemittel in seiner immobilisierten Form als Absorptionsmittel aus dem Arbeitsmittel entsteht.

Gleichzeitig werden die das Absorptionsmittel durchströmenden Dämpfe des Arbeitsmittels ebenfalls ionisiert, so dass der Dampfdruck so abgesenkt wird, dass sich der Dampf der reversiblen immobilisierbaren Komponente im Arbeitsmittel niederschlägt. Das azeotrope Arbeitsmittel wird somit durch das Absorptionsmittel geführt, das die erste Komponente aufnimmt (absorbiert), wobei die frei werdende Absorptionsenergie auf die dampfförmige verbleibende zweite Komponente übergeht. Das Absorptionsmittel kann anschließend wieder zurück in den Verdampfer geleitet werden, wo es beispielsweise durch Deionisation in einen nicht-ionischen Zustand überführt wird und mit der kondensierten Phase der verbliebenden zweiten Komponente als azeotropes Gemisch wieder verdampft wird.

Zweckmäßigerweise ist das Molverhältnis des Arbeitsmittels derart gewählt, dass der Druck in der Entspannung durch die Reduzierung der Anzahl der in der Gasphase verbleibenden Moleküle mehr abnimmt, als der Druck durch die Erwärmung des verbleibenden Gases zunimmt, damit der Aufbau eines sonst resultierenden Gegendruckes nach der Entspannungsvorrichtung vermieden wird.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird das entspannte dampfförmige Arbeitsmittel mit Hilfe einer Wärmepumpe auf ein Temperaturniveau oberhalb der Siedetemperatur des Arbeitsmittels transformiert. Diese Energierückführung kann hierbei über ein einkomponentiges Arbeitsmittel realisiert werden. Dazu wird die Wärmepumpe mit einem flüssigkeitsüberlagerten Verdichtersystem, beispielsweise einer Flüssigkeitsringpumpe oder einem Schraubenverdichter, betrieben und für den Betrieb der Wärmepumpe eine Betriebsflüssigkeit verwendet, deren molare Verdampfungsenthalpie ein Mehrfaches, vorzugsweise mehr als das Vierfache, besonders bevorzugt mehr als das Fünffache der Verdampfungsenthalpie des Arbeitsmittels für die Entspannung beträgt. Erfindungsgemäß wird dadurch ein Überschuss der Energierückführung über die Antriebsenergie der Wärmepumpe erreicht.

Als Niederdruck-Entspannungsvorrichtung kann eine Vorrichtung verwendet werden, bei der weder die Masse des Dampfes noch das Druckverhältnis, sondern allein die Druckdifferenz relevant ist.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Niederdruck- Entspannungsvorrichtung als Wälzkolbengebläse-als Rootsgebläse-oder in Form von Ovalradpumpen ausgeführt. Vorteilhaft ist, dass das Wälzkolbengebläse als Entspannungsvorrichtungen (Entspannungsmotoren) schon mit einer Druckdifferenz von 500 mbar mit einem vollen Wirkungsgrad arbeiten können und in einem geschlossenen System bei Drücken von 10 bis 0,5 bar eingesetzt werden kann. Erfindungsgemäß kann das Wälzkolbengebläse mit mindestens einer Einspritzöffnung ausgeführt sein, durch die das Absorptionsmittel und/oder ein protisches Lösemittel in das Wälzkolbengebläse einbringbar ist. Vorteilhafterweise erfolgt eine druckgesteuerte Einspritzung zur Verhinderung von Flüssigkeitsschäden. Eine weiterer Vorteil ist, dass bei den genannten Entspannungsvorrichtungen nur die Druckdifferenz und nicht die Masse oder das Entspannungsverhältnis für den Wirkungsgrad maßgebend ist. Bei bereits kleinen Druckdifferenzen von weniger als zwei bar kann ein voller Wirkungsgrad erreicht werden.

Zweckmäßigerweise weist das Wälzkolbengebläse eine gasdichte Dichtung zwischen Schöpfraum und Getrieberaum auf, wobei in einer weiteren Ausführungsform das Wälzkolbengebläse mehrflügelige Rotoren umfasst.

Das Wälzkolbengebläse weist ferner eine Welle auf, die mit dem Generator verbunden werden kann, wodurch die mechanische in elektrische Energie umgewandelt werden kann.

Die Verwendung von einem Wälzkolbengebläse als Niederdruckentspannungsvorrichtung eröffnet, insbesondere bei der Nutzung von Abwärme mit einer Temperatur von weniger als ungefähr 100°C, für den Antrieb von beispielsweise Pumpen oder Generatoren die Möglichkeit, zum einen den Prozess durch Einspritzung von Absorptionsmitteln zu unterstützen, und zum anderen wegen der geringen Druck-und Temperaturdifferenzen die Kondensationsenergie des Arbeitsmittels, beispielsweise mit einer Wärmepumpe, wieder auf ein erhöhtes Temperaturniveau zu heben.

Bei einer weiteren Ausführung der Erfindung kann eine Trennanordnung vorgesehen sein, die die absorbierte erste Komponente vom Absorptionsmittel trennt. Die Trennanordnung kann beispielsweise als Membransystem ausgebildet sein, das der Absorptionsvorrichtung nachgeschaltet ist. Die desorbierte flüssige, erste Komponente wird zweckmäßigerweise zurück in den Verdampfer geleitet, in dem sie mit der zweiten flüssigen Komponente zusammen als azeotropes Arbeitsmittel verdampft. Das Absorptionsmittel kann zum Beispiel zur Entspannungsvorrichtung geführt werden, in der es in das sich entspannende Arbeitsmittel eingespritzt wird. In einer weiteren Alternative kann das Absorptionsmittel in einen Wäscher zurückgeführt werden, in dem die Absorption der ersten Komponente aus dem Arbeitsmittel erfolgt. Als Absorptionsmittel können Öle verwendet werden, aus denen sich die erste Komponente des Arbeitsmittels beispielsweise durch ein Membransystem vollständig wieder austreiben lässt.

Die Trennung der ersten absorbierten Komponente im Absorptionsmittel kann alternativ durch einen Verdampfungsvorgang der absorbierten Komponente durchgeführt werden.

Vorzugsweise wird die nach der Absorptionsvorrichtung verbleibende zweite Komponente, die erfindungsgemäß trotz Entspannung Wärme aufgrund der Absorption der ersten Komponente aufgenommen hat, in einen Wärmetauscher im Verdampfer geleitet, in dem die zweite Komponente kondensiert. Das Kondensat wird mit einer Pumpe zurück in den Verdampfer gefördert. Vorzugsweise werden in dem Verdampfer die erste und die zweite Komponente als Arbeitsmittel verdampft. Als Absorptionsmittel können Flüssigkeiten verwendet werden, aus denen sich die erste Komponente des Arbeitsmittels beispielsweise durch das Membransystem oder Verdampfung vollständig wieder austreiben lässt.

Vorzugsweise ist das Arbeitsmittel ein azeotropes Gemisch aus Wasser und Silikon. Das Wasser ist hierbei die erste, zu absorbierende Komponente und Silikon die zweite Komponente. Zweckmäßigerweise ist das Absorptionsmittel ein Silikat. Vorteilhafterweise ist das Absorptionsmittel eine alkalische molekulardisperse Silikatlösung, wobei das in der alkalischen Silikatlösung absorbierte Wasser beispielsweise durch Erhitzen desorbiert wird.

Die thermische Desorption wird vorteilhafterweise in einem vom Verdampfer getrennten Austreiberaggregat realisiert.

Die Aufgabe der Erfindung wird ebenfalls durch eine Anlage zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie mit den Merkmalen des Anspruches 19 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Weiterbildung ausgeführt.

Erfindungsgemäß bezieht sich die Erfindung auf eine Anlage mit einem Verdampfer, in dem ein Arbeitsmittel, das durch ein Gemisch, vorzugsweise ein azeotropes Gemisch, gebildet ist, verdampfbar ist, mit einer Niederdruck-Entspannungsvorrichtung, mit einer Absorptionsvorrichtung, die in der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung integriert ist und/oder der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung nachgeschaltet ist, mit einer Kältemaschine, die mit dem Verdampfer verbunden ist, wobei Mittel zur Wärmerückführung vorgesehen sind, mit denen in der Absorptionsvorrichtung eine erste Komponente des Arbeitsmittels durch ein Absorptionsmittel absorbierbar ist und Wärmenergie auf die verbleibende, dampfförmige zweite Komponente übertragbar ist, die zum Verdampfer rückfihrbar ist. Die in der Kältemaschine bei der Kondensation des Kältemittels im Kondensator oder im Verflüssiger anfallende Wärmeenergie (Abwärme) wird für den Verdampfungsprozess im Verdampfer genutzt, in dem das Arbeitsmittel verdampft wird und in die Entspannungsvorrichtung geleitet wird. In der Entspannungsvorrichtung wird die Wärmeenergie in mechanische Energie umgewandelt. Die Entspannungsvorrichtung kann zum Beispiel mit einem Generator verbunden sein, so dass die mechanischer Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Wird das Arbeitsmittel als azeotropes oder ein nahezu azeotropes Gemisch gebildet, so zeichnet sich die erfindungsgemäße Anlage durch einen besonders guten Wirkungsgrad aus. Zum einen fällt ein großer Betrag an mechanischer Energie, insbesondere durch den Einsatz eines Wälzkolbengebläses an, die vorzugsweise nach der Umwandlung in elektrische Energie zur anteiligen Deckung der Antriebsenergie in den Kältemaschinenprozess zurückgeführt werden kann. Zum anderen enthält die verbleibende, zweite Komponente eine ausreichend großen Betrag an Wärmeenergie, die für den Verdampfungsprozess des flüssigen Arbeitsmittels genutzt werden kann.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Einzelnen beschrieben ist. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

Figur 1 zeigt eine Anlage zur Umwandlung von Wärmeenergie aus einem Kondensator einer Kältemaschine 8 in mechanische Energie. Die Anlage umfasst eine Kältemaschine 8 mit einem Verdichter 12. Der Verdichter 12, der beispielsweise als Kolben-oder als Turboverdichter ausgebildet sein kann, saugt ein dampfförmiges Kältemittel aus einem Verdampfer 13 an und verdichtet den Dampf auf einen bestimmten Druck. Der verdichtete Dampf wird anschließend in dem Wärmetauscher 15 kondensiert, der mit einem Verdampfer 6 für ein flüssiges Arbeitsmittel verbunden ist, das in einem weiteren getrennten Prozess geführt wird. Bei der Kondensation des Dampfes im Kältemaschinenprozess wird die anfallende Kondensationswärme für den Verdampfungsprozess des Arbeitsmittels genutzt.

Das kondensierte, verflüssigte Kältemittel wird im Drosselventil 14 entspannt und gelangt dann wieder in den Verdampfer 13, wo ihm Wärme zugefügt wird.

Das Arbeitsmittel, das in der vorliegenden Ausfiihrungsform ein azeotropes Gemisch mit einer ersten und einer zweiten Komponente ist, wird durch die anfallende Wärmeenergie der Kältemaschine 8 verdampft und in der nachgeschalteten Niederdruck- Entspannungsvorrichtung 2 entspannt, wobei mechanische Energie"gewonnen"wird. Die Niederdruck-Entspannungsvorrichtung 2, die im folgenden Ausführungsbeispielen als Wälzkolbengebläse 2 ausgeführt ist, ist mit einem Generator 1 verbunden und treibt diesen an, so dass mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Diese elektrische Energie kann beispielsweise anteilig für den Betrieb des Verdichters 12 der Kältemaschine 8 genutzt werden.

Der Entspannung nachgeschaltet ist eine Absorptionsvorrichtung 3, in Figur 1 als Wäscher 3 ausgebildet, in dem das dampfförmige Arbeitsmittel mit einem Absorptionsmittel gewaschen wird. Hierbei wird die erste Komponente durch das Absorptionsmittel absorbiert. Besonders vorteilhaft ist, dass das Arbeitsmittel ein azeotrop verdampfendes Gemisch ist, bei dem sich je nach Zusammensetzung die Verdampfungstemperaturen absenken lassen, so dass diese unter den Kondensationstemperaturen der einzelnen Komponenten liegen. Wird die erste Komponente aus dem dampfförmigen Arbeitsmittel adiabat absorbiert, so geht die der Entropieabnahme entsprechende Wärme auf die verbleibende zweite Komponente über.

Somit erwärmt sich das dampfförmig verbleibende, entspannte Arbeitsmittel trotz der Entspannung, so dass ein bestimmter Teil der Wärme des verbleibenden Arbeitsmittel in den Verdampfer 6 zurückgeführt werden kann (Wärmerückführung), wodurch der Wirkungsgrad der Anlage wesentlich verbessert wird Die dampfförmige zweite Komponente wird zurück in einen Wärmetauscher 7 im Verdampfer 6 geleitet, wo sie durch Kondensation weiteres flüssiges Arbeitsmittel verdampft. Das Kondensat wird anschließend mit der Pumpe 9 in den Verdampfungsraum des Verdampfers 6 gepumpt.

Die absorbierte erste Komponente wird gemeinsam mit dem Absorptionsmittel durch eine Pumpe 10 in ein Membransystem 5 geleitet, das die erste Komponente vom Absorptionsmittel trennt. Die erste Komponente wird anschließend in den Verdampfer 6 gefördert, das Absorptionsmittel gelangt wieder in den Wäscher 3.

Besonders vorteilhaft ist, dass neben einer Umwandlung der anfallenden Wärmeenergie aus der Kältemaschine 8 in mechanische Energie eine Energierückführung durch eine absorptive Trennung des dampfförmigen Arbeitsmittels im Wäscher 3 realisierbar ist, wobei die Absorptionsenergie die dampfförmig verbleibende, zweite Komponente so weit erhitzt, dass sie erneut zur Verdampfung des Arbeitsmittels genutzt werden kann.

Bezugszeichenliste 1 Generator 2 Entspannungsvorrichtung, Wälzkolbengebläse 3 Absorptionsvorrichtung, Wäscher 5 Trennanordnung, Membransystem 6 Verdampfer 7 Wärmetauscher 8 Kältemaschine 9 Pumpe 10 Pumpe 12 Verdichter 13 Verdampfer (Kältemaschine) 14 Drosselventil 15 Wärmetauscher, Verflüssiger (Kältemaschine)