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 gefordert 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 für den erreichten Wirkungsgrad entscheidend ist. Ein weiterer Nachteil der bekannten Wärmekraftanlage ist das Anfallen von Kondensationswärme aus der Kondensation des Arbeitsmittels, die bei diesen Anlagen als Abwärme mit Kühlsystemen abgeführt wird.

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 weist das erfindungsgemäße Verfahren einen Niederdruck-Entspannungskreislauf und einen Energie-Rückführungskreislauf, wobei in dem Niederdruck-Entspannungskreislauf die Entspannung des Arbeitsmittels in einer Niederdruck-Entspannungsvorrichtung erfolgt und das entspannte Arbeitsmittel in einem der Entspannungsvorrichtung nachgeschalteten zweiten Wärmetauscher kondensiert wird, in dem eine Verdampfung eines Betriebsmittels im zweiten Wärmetauscher innerhalb des Energie-Rückführungskreislaufes bewirkt wird, das über einen Verdichter zum ersten Wärmetauscher gefördert wird, in dem das Betriebsmittel kondensiert wird, wobei eine Verdampfung des Arbeitsmittels im ersten Wärmetauscher innerhalb des Niederdruck-Entspannungskreislaufes erfolgt, wobei die molare Verdampfungsenthalpie des Betriebsmittels mehr als das vierfache der molaren Verdampfungsenthalpie des Arbeitsmittels beträgt. Einer der wesentlichen Merkmale der Erfindung ist, dass die"Restwärme"des entspannten Arbeitsmittels genutzt werden kann, um diese wiederum für den Verdampfungsvorgang im ersten Wärmetauscher einzusetzen. Hierbei erfolgt im zweiten Wärmetauscher eine Kondensation des entspannten Arbeitsmittels, wobei die frei werdende Kondensationswärme auf das Betriebsmittel übertragen wird, welches hierbei verdampft.

Innerhalb des Energie-Rückführungskreislaufes, der einer Wärmepumpe gleicht, wird ferner das dampfförmige Betriebsmittel durch die Verdichtung auf ein erhöhtes Temperaturniveau gebracht. Im sich anschließenden ersten Wärmetauscher kondensiert das Betriebsmittel, wobei die frei werdende Wärme auf das verdampfende Arbeitsmittel übertragen wird. Somit wird der energetische Wirkungsgrad der Anlage wesentlich verbessert. Das Arbeitsmittel weist vorzugsweise eine große Wärmekapazität auf, so dass das Arbeitsmittel bei der Entspannung eine relativ geringe Temperaturerniedrigung erfährt. Folglich kann die Wärmepumpe, bei der die Kondensationsenergie wieder auf das Temperaturniveau der Verdampfung des Arbeitsmittels transformiert wird, mit einem geringen Energiebedarf und einer guten Leistungsziffer arbeiten.

Das dampfförmige Betriebsmittel wird mit Hilfe der Wärmepumpe auf ein Temperaturniveau oberhalb der Siedetemperatur des Arbeitsmittels transformiert. Diese EnergierückRihrung kann hierbei über ein einkomponentiges Betriebsmittel realisiert werden. Dazu wird die Wärmepumpe mit dem flüssigkeitsüberlagerten Verdichtersystem, beispielsweise einer Flüssigkeitsringpumpe oder einem Schraubenverdichter, betrieben und für den Betrieb der Wärmepumpe ein Betriebsmittel 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 wird 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 einer Ovalradpumpe ausgeführt. Vorteilhaft ist, dass das Wälzkolbengebläse als Entspannungsvorrichtung (Entspannungsmotoren) schon mit einer Druckdifferenz von 500 mbar mit einem nahezu vollen Wirkungsgrad arbeiten kann und in einem geschlossenen System bei Drücken von 10 bis 0, 5 bar eingesetzt werden kann. Das Wälzkolbengebläse ist vorzugsweise mit einem Generator verbunden, der die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt.

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

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 entsprechend ausgewähltes anorganisches oder organisches Lösemittel. Das Arbeitsmittel kann auch ein Lösemittelgemisch sein, das organische und/oder anorganische Lösemittelkomponenten mit entsprechenden thermodynamischen Daten aufweist. Beispiele hierfür sind etwa Gemische aus Wasser und ausgewählten Silikonen.

In einer weiteren Alternative der Erfindung erfolgt eine Temperaturerhöhung des Betriebsmittels im Energie-Rückführungskreislauf durch die mechanische Verdichtung mittels eines flüssigkeitsüberlagerten Verdichters, wobei zusätzlich die Betriebsmitteltemperatur im Verdichter durch einen Wärmeaustausch mit einem Fluid, mit dem der Verdichter betrieben wird und das unmittelbar in Kontakt mit dem Betriebsmittel steht, erhöht. Besonders vorteilhaft ist, dass diese flüssigkeitsüberlagerten Verdichter mit einem. hochsiedenden Fluid betrieben werden können. Da in den flüssigkeitsüberlagerten Verdichtem das Fluid keine Schmierfunktion sondern eine reine Dichtungsfunktion ausübt, können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in dem Energie-Rückführungskreislauf praktisch beliebige Betriebsmittel bis hin zu Wasser eingesetzt werden, die hohe molare Verdampfungswärmen, im Niederdruckbereich große Temperatursprünge haben und hohe Betriebstemperaturen des Verdichters erlauben. Die Flüssigkeitsringpumpe, als eine mögliche Alternative der Erfindung, kann vorteilhafterweise einen großen Teil der Arbeitsleistung als Wärme auf das Betriebsmittel übertragen, welches sich über die Sättigungstemperatur erwärmen kann, wodurch sich der Wirkungsgrad des Verfahrens erheblich steigern lässt.

Ferner wird durch die Flüssigkeitsringpumpe sichergestellt, dass das Betriebsmittel sich in dem Verdichter nicht soweit anreichert, dass dadurch eventuell das Saugvermögen reduziert wird. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich in dem Energie- Rückführungskreislauf, der als Wärmepumpensystem mit flüssigkeitsüberlagertem Verdichtersystem realisiert ist, Leistungsziffem als Verhältnis von rückgefühtter Wärmeenergie zu Verdichterantriebsarbeit erreichen, die über dem dreifachen Wert von herkömmlichen Wärmepumpen liegen. Temperaturen des Betriebsmittels nach der Temperaturerhöhung von über 180°C sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren realisierbar. Besonders günstig sind Fluide wie hochsiedende Silikonöle oder Diesteröle oder Weichmacher wie Dioctylphtalat mit Viskositäten bis zu 50 centistoke (cts).

Vorteilhafterweise ist die Siedetemperatur des Fluids höher als die Temperatur des Betriebsmittels nach der Temperaturerhöhung.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der flüssigkeitsüberlagerte Verdichter eine Ringbegasung aufweisen, die eine Überverdichtung verhindert. Als Betriebsmittel kann beispielsweise ein Gemisch aus Alkoholen verwendet werden, bei dem die Verdampfungstemperatur bei ungefähr 20°C und die Kondensationstemperatur bei 80°C liegen kann. Ein A3-Lösemittel als Betriebsmittel ist ebenfalls denkbar, bei dem die Verdampfungstemperatur ungefähr bei 90°C und die Kondensationstemperatur bei 180°C liegen kann. Ein wesentlicher Vorteil dieser Erfindung ist, dass beim Betriebsmittel höhere Temperaturniveaus erreicht werden können, als sie bisher mit beispielsweise FCKW- Arbeitsmitteln möglich sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung fällt die Wärmeenergie in einer Kältemaschine an, in der ein Kältemittel in einem Verdampfer verdampft wird. Das dampfförmige Kältemittel wird über einen Verdichter zum ersten Wärmetauscher gefördert, in dem das Kältemittel kondensiert. Hierbei wird Kondensationswärme frei, die auf das im ersten Wärmetauscher verdampfende Arbeitsmittel übertragen wird. Das kondensierte Kältemittel wird über ein Entspannungsventil in den Verdampfer zurückgeführt.

Vorzugsweise wird ein warmer, einen bestimmten Feuchtigkeitsgrad aufweisender Luftstrom, der durch den Verdampfer geführt wird, unter Wärmeabgabe an das Kältemittel gekühlt, wobei Wasser als Kondensat anfällt, das in einem Behältnis aufgefangen wird Der mit dem Generator erzeugte Strom kann als Antriebsleistung für die elektrisch angetriebenen Aggregate der Gesamtanlage umfassend den Kältemittelkreislauf, den Niederdruck- Entspannungskreislauf sowie den Energie-Rückführungskreislauf genutzt werden. Damit werden die extern aufzubringende Energie und damit die Energiekosten einer "Wassergewinnung aus Luft"mittels der oben beschriebenen Kondensation von Arbeitsmittel und Betriebsmittel wesentlich reduziert.

Die Aufgabe der Erfindung wird ebenfalls durch eine Anlage zur Umwandlung von anfallender Wärmeenergie in mechanische Energie mit den Merkmalen des Anspruches 15 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Weiterbildungen ausgeführt.

Erfindungsgemäß bezieht sich die Erfindung auf eine Anlage, die einen Kältemittelkreislauf, einen Niederdruck-Entspannungskreislauf und einen Energie-RückRihrungskreislauf aufweist, die miteinander verbunden sind. Hierbei wird im Kältemittelkreislauf ein Kältemittel in einem Verdampfer verdampft, das über einen Verdichter in einen ersten Wärmetauscher gefördert wird. Im ersten Wärmetauscher kondensiert das Kältemittel und wird über ein Entspannungsventil zurück in den Verdampfer gefördert, wobei Wasser, das im Verdampfer bei der Abkühlung eines Luftstroms anfällt, in einem Behältnis aufgefangen wird. Im Niederdruck-Entspannungskreislauf wird ein Arbeitsmittel im ersten Wärmetauscher verdampft, das die im ersten Wärmetauscher freiwerdende Kondensationswärme aufnimmt. In einer nachgeschalteten Niederdruck-Entspannungsvorrichtung wird das dampfförmige Arbeitsmittel entspannt, in einen zweiten Wärmetauscher geleitet, in dem es kondensiert.

Durch den Entspannungsprozess wird die im Arbeitsmittel enthaltende Wärmeenergie in mechanische Energie umgewandelt. Die Niederdruck-Entspannungsvorrichtung weist des weiteren eine Welle auf, die mit einem Generator verbunden ist, so dass die mechanische Energie letztendlich in elektrische Energie transformiert werden kann. Das kondensierte Arbeitsmittel. wird über eine Pumpe in den ersten Wärmetauscher zurückgefördert. fin Energie-Rückfiihrungskreislauf wird ein Betriebsmittel im zweiten Wärmetauscher verdampft, wobei es die Kondensationswärme des Arbeitsmittels des Niederdruck- Entspannungskreislaufes aufnimmt. Anschließend wird das dampfförmige Betriebsmittel über einen flüssigkeitsüberlagerten Verdichter in den ersten Wärmetauscher gefördert, in dem das Betriebsmittel kondensiert. Das kondensierte Betriebsmittel wird über ein Entspannungsventil zurück in den ersten Wärmetauscher geführt.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein AusfEihrungsbeispiel 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, die der Luft Wasser entziehen kann. In der vorzugsweise warmen Luft ist Wasserdampf in Form von Luftfeuchtigkeit enthalten. Durch einen Ventilator 12 wird ein Luftstrom erzeugt, der durch den Verdampfer 1 eines Kältemittelkreislaufes geleitet wird.

Der Verdampfer 1 weist hierbei nicht dargestellte Wärmeaustauschflächen auf, die gekühlt sind. Die Wärmeaustauschflächen können zum Beispiel als Rohr ausgebildet sein, durch die ein Kältemittel fließt. Der warme Luftstrom kühlt sich ab, wobei die Wärme über die Wärmeaustauschflächen auf das Kältemittel übertragen wird, welches verdampft. Der in der Luft gelöste Wasserdampf kondensiert an den Wärmeaustauschflächen, wobei das kondensierte Wasser in einem Behältnis 11 aufgefangen wird. Der gekühlte Luftstrom verlässt den Verdampfer 1 mit einem Restfeuchtigkeitsgehalt. Das dampfförmige Kältemittel, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Druck zwischen 2-8 bar und eine Temperatur von ungefähr 5-10°C aufweist, wird über einen Verdichter 2 in einen ersten Wärmetauscher 3 gefördert, in dem das Kältemittel kondensiert. Beim Eintritt des darnpffeirmigen Kältemittels in den ersten Wärmetauscher 3 weist dieses ungefähr einen Druck von 10-20 bar und eine Temperatur bis circa 80°C oder 110°C auf Die freiwerdende Kondensationswärme wird auf ein Arbeitsmittel eines Niederdruck-Entspannungskreislaufes übertragen. Über ein Entspannungsventil 10 wird das kondensierte Kältemittel zurück in den Verdampfer 1 geleitet.

Im ersten Wärmetauscher 3 wird das Arbeitsmittel verdampft und in einer nachgeschalteten Niederdruck-Entspannungsvorrichtung 4 entspannt. Die Niederdruck- Entspannungsvorrichtung 4 ist als Wälzkolbengebläse 4 ausgeführt, in der die Wärmeenergie in mechanische Energie umgewandelt wird. Das Wälzkolbengebläse 4 weist ferner eine Welle auf, die mit einem Generator 7 verbunden ist, wodurch die mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Anschließend wird das entspannte Arbeitsmittel in einem zweiten Wärmetauscher 5 kondensiert, wobei ein im zweiten Wärmetauscher 5 sich befindendes weiteres Betriebsmittel aufgrund der entstehenden Kondensationswärme verdampft wird. Das kondensierte Arbeitsmittel wird über eine Pumpe 8 zurück in den ersten Wärmetauscher 3 gefördert. Die molare Verdampfungsenthalpie des Betriebsmittels beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel das fünffache der molaren Verdampfungsenthalpie des Arbeitsmittels.

Das dampfförmige Betriebsmittel wird in einer Flüssigkeitsringpumpe 6 verdichtet. Die Flüssigkeitsringpumpe 6 wird mit einem Fluid betrieben, das im unmittelbaren Kontakt mit dem Betriebsmittel steht. Vorteilhaft bei dieser Ausführungsform ist, dass das Betriebsmittel innerhalb der Flüssigkeitsringpumpe 6 zusätzlich neben der Verdichtung dadurch erwärmt wird, in dem ein bestimmter Wärmebetrag vom Fluid auf das Betriebsmittel übergeht. Das Betriebsmittel wird oberhalb der Verdampfungstemperatur des Arbeitsmittels des Niederdruck-Entspannungskreislaufes erwärmt, so dass die Energie zur Verdampfung des Arbeitsmittels im ersten Wärmetauscher 3 genutzt werden kann. Im nachgeschalteten ersten Wärmetauscher 3 kondensiert das Betriebsmittel und wird anschließend über ein Entspannungsventil 9 zurück zum zweiten Wärmetauscher S gefördert.

Bezugszeichenliste 1 Verdampfer 2 Verdichter 3 erster Wärmetauscher 4 Niederdruck-Entspannungsvorrichtung, Wälzkolbengebläse 5 zweiter Wärmetauscher 6 Verdichter, Flüssigkeitsringpumpe 7 Generator 8 Verdichter 9 Entspannungsventil 10 Entspannungsventil 11 Behältnis 12 Ventilator