BESCHREIBUNG

Technisches Gebiet

[001 ] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftwerk zur Erzeugung von elektrischer Energie gemäß dem Obersatz des Patentanspruchs 1 .

Stand der Technik

[002] Es sind aus dem Stand der Technik unlängst Kraftwerke zur Stromerzeugung bekannt, bei denen die thermische Energie von Wasserdampf in einer Dampfturbine ausgenutzt wird. Nachteilig bei den bestehenden Druckentspannungsturbinen ist jedoch, dass diese einen geringen Wirkungsgrad aufweisen. Im Mittel ca. 40-45 Prozent . Ein Wasserrad jedoch über 90 Prozent.

[003] In DE102014107034A1 ist eine Lösung dargestellt in der Wasserdampf in einem Schacht unten verdampft und oben verflüssigt, ein Fallrohr hinabfällt und eine Turbine antreibt.

[004] In WO0020071 13062A1 ist zum Erreichen einer Fallhöhe ein Gebäude oder eine Hanglage beschrieben. Zusätzlich ist eine Windturbine im Dampfströmungskanal zwecks Wirkungsgraderhöhung angeordnet. Es sind hierzu jedoch größere Bauwerke erforderlich um auch ausreichende Energie für den Betrieb einer Kältemaschine zu generieren.

[005] Z.B. kommt in WO 001996001363A1 eine ebenerdige Konstruktion zum Einsatz worin ein Kältemittel verdampft , einen Motor antreibt und im weiteren kondensiert wird , um in einem Kreisprozess elektrische Energie auch aus Niedertemperaturwärme, die jedoch noch über Umgebungstemperatur liegt, zu erzeugen. Dadurch ist jedoch zu wenig Energie für den Betrieb einer Kältemaschine vorhanden.

Darstellung der Erfindung

[006] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Kraftwerk zu schaffen, welches die vorgenannten Probleme ausräumt.

[007] Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftwerkes sind in den abhängigen Unteransprüchen angegeben.

[008] Das erfindungsgemäße Kraftwerk umfasst einen ersten Strömungskanal, in dem mittels mindestens eines Verdampfers erzeugter Dampf emporsteigt, um eine Turbine anzutreiben.

[009] Erfindungsgemäß ist dieses Kraftwerk dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zweiter Strömungskanal vorgesehen ist, in dem mittels eines Kondensators aus dem Dampf verflüssigte Flüssigkeit hinunter strömt, wobei die Srömungsenergie der den Strömungskanal hinunter strömenden Flüssigkeit mittels mindestens einer Vorrichtung zur Umwandlung von Strömungsenergie in Rotationsenergie umgewandelt wird.

[0010] Zum Beispiel hat Iso-Butan einen Siedepunkt von -1 1 ,7°C unter Normalbedingungen, sowie Ethan mit - 89°C, was eine Nutzung von Umweltwärme ermöglicht. Eine andere Form der Niedrigwärme Nutzung stellt der Kaiina Prozess dar. Dort kommt ein Gemisch aus Wasser und Ammoniak zum Einsatz. Das Edelgas Argon bietet (hier der Wert für Normalbedingungen) eine Wärmesenke von -186°C an und weist zudem eine vorteilhaft niedrige Verdampfungsenthalpie, wie bei allen Edelgasen, auf. Auch bei den ORC und Kaiina Prozessen kommt eine Dampfentspannungsturbine mit ihrem schlechten Wirkungsgrad nachteilig zum Einsatz.

[001 1 ] Die im weiteren "Arbeitsmedium" genannten Flüssigkeiten von Wasser über organische Flüssigkeiten oder Mischungen werden hier nicht näher beschrieben. Sind jedoch den Fachleuten hinreichend bekannt. Das Arbeitsmedium steigt in einem Strömungskanal bedingt durch den Dampfdruck auf.

[0012] In einem zweiten Strömungskanal befindet sich oben ein Verflüssiger, der den Dampf verflüssigt. Dazu kann auch ein geringer, aber stark unter Kondensationstemperatur gekühlter Teil des Arbeitsmediums in den zweiten Strömungskanal eingesprüht werden. Dies Verfahren wurde schon von James Watt angewandt. Dies hat den Vorteil einer raschen Kondensation des Sattdampfes und einer damit einhergehenden starken Druckreduzierung. Somit kann aus dem Dampfphasen-Strömungskanal Dampf nachströmen. Diese Strömungsenergie ist mit einem Windrad nutzbar.

[0013] Dem Arbeitsmedium wird Wärme aus Abwärme oder Umgebungswärme zugeführt. Entweder in einem Siedesumpf am Boden des Dampfphasen-Strömungskanal oder in das unter Druck stehende flüssige und dadurch überhitzbare Arbeitsmedium. Es verdampft nach dem Durchströmen der Flüssigkeitsturbine im inneren der Zentrifuge an deren Außenrand. Von dort steigt das dampfförmige Medium, auch gegen die künstliche Schwerkraft, auf.

[0014] Das im zweiten Strömungskanal befindliche, durch eine Kältemaschine verflüssigte Arbeitsmedium, setzt die beim Verdampfen zugeführte Enthalpie durch die Kondensationswärme wieder frei und wird durch die Kältemaschine, die dann als Wärmepumpe fungiert, dem Verdampfer in einem separaten Teil des Wärmetauschers wieder zugeführt . Die elektrisch betriebene Kältemaschine / Wärmepumpe kann mit einem Kw elektrisch vier Kw Wärmemenge transportieren und dabei auf der Verdichterseite eine höhere Temperatur freisetzen als die Siedetemperatur des Arbeitsmediums. Eine Variante für den Antrieb der Kältemaschine stellt ein weiteres Wasserrad nur zum Betreiben der Kältemaschine dar. Dies ist nicht in der Zeichnung extra aufgezeigt. Wärme kann übertragen werden.

[0015] Während des Prozesses ist der Temperaturunterschied zwischen Dampfphase und Flüssigphase so gering wie möglich zu halten. Dies wird durch Regulation der Kältemaschine und eine Wärmedämmung des Kraftwerks erreicht.

[001 6] Somit kann die Wärmepumpe einen Teil der Verdampfungsenthalpie wieder verwerten. Die Kondensationswärme wird in konventionellen Kraftwerken über Kühltürme zur Speisewasserkondensation an die Umwelt abgegeben. Ein Kraftwerk mit 300MW entlässt mehr als 300MW an die Umwelt.

[001 7] Der Verflüssiger oben im zweiten Strömungskanal ist so ausgebildet, dass sich der Querschnitt nach und nach verkleinert und am unteren Ende des Verflüssigers nur Flüssigphase austritt.

[0018] Am Boden des Flüssigphasen Strömungskanals befindet sich eine Ableitung zum Wasserrad. In der Leitung ist ein Ventil zur Durchflussmen- genregelung vorgesehen. Das austretende Arbeitsmedium wird direkt in den Verdampfer des Gasphasen-Strömungskanals geleitet. Die Höhe der Flüssigphase im Verdampferströmungskanal kann somit kontrolliert werden.

[0019] Die Kältemaschine fungiert zugleich mit ihrem eigenen Kühlmittelkreislauf als Wärmepumpe. Sie kühlt die Dampfphase des Arbeitsmediums ab, kühlt einen geringen Teil des Arbeitsmediums herunter um diesen dann im Kondensator einzusprühen und pumpt die Kondensationswärme zum Teil wieder in den Verdampfer oder Überhitzer des Gasphasen Strömungskanals. [0020] Um das Temperaturgefälle gegenüber dem Wärmelieferanten zu erhalten ist die Kraftwerk gegenüber der Umwelt bestmöglich gedämmt.

[0021 ] Die vorliegende Erfindung stellt nur eine Ausführung des erfindungsgemäßen Kraftwerks dar. Es sind andere Umsetzungen denkbar, wie z. B. Kühlung von Gebäuden mit gleichzeitiger Stromerzeugung.

[0022] Eine Sonderform des erfindungsgemäßen Kraftwerks kann dazu genutzt werden die aus einem Naturzugkühlturm austretenden Dampfschwaden, mit ihren negativen Einfluss auf das Mikroklima und der unerwünschten Kontaminierung mit Legionellen, zu reduzieren.

[0023] Dazu sind im Kopf des Kühl-Strömungskanals Sprühdüsen angebracht, die den Dampf zum Abregnen bringen. Der Regen wird über Auffangtrichter im Kopf des Kühl-Strömungskanals, die das Wasser dann auffangen, in eine hydrostatische Säule geführt und wiederum mit einem Wasserrad in Leistung für den Betrieb des Kraftwerks zu liefern. Die Auffangtrichter sind höhenmäßig versetzt und erlauben dadurch ein Durchströmen des Dampf Luftgemisches allerdings muss hierbei der Naturzug durch Ventilatoren ergänzt werden.

[0024] In ähnlicher Weise findet dieser Prozess schon in der Natur statt. Wasser verdampft im Ozean, kühlt diesen ab und der Wasserdampf steigt auf. In der Höhe kondensiert er zu Wolken, regnet ab und füllt z. B. ein Talsperrenkraftwerk. Diese Erfindung stellt eine technische Umsetzung dar.

[0025] Um eine ausreichende künstliche Höhe für die Flüssigkeitsturbine zu erhalten kommt eine Zentrifuge zum Einsatz. Dazu befindet sich nach dem Verflüssiger eine Speisepumpe. Das flüssige Arbeitsmedium wird darin auf einen höheren Druck gebracht, damit dem Arbeitsmedium Wärme in einem Wärmetauscher zugeführt werden kann, ohne das es beginnt zu sieden. [0026] So dann†ri†† dies nun überhitzte Arbeitsmedium durch eine Drehdurchführung in die Mitte der Zentrifuge ein und wird beschleunigt. Am Außenrand der Zentrifuge durchläuft das Medium eine Flüssigkeitsturbine zur Erzeugung von Strom. Drehdurchführungen sind z.B. in Hydraulikbaggern eingesetzt und ermöglichen Flüssigkeits- und Luftdurchgänge bis über 300 bar.

Der erzeugte Strom gelangt über Leitungen durch die Drehdurchführung an die Verbraucher

[0027] An der Austrittseite der Turbine ist ein Druckregelventil vorgesehen, dass einen Gegendruck aufbauend, Kavitation verhindert. Die überhitzte, sofort verdampfende Flüssigkeit tritt dann tangential zur Außenwand der Zentrifuge aus Düsen im Inneren derselben aus und bildet somit eine Reaktionsturbine, die die Zentrifuge antreibt. Der Dampf steigt nun gegen die künstliche Schwerkraft auf und kühlt dabei weiter ab. In der Mitte der Zentrifuge tritt der Dampf in einem Rohr durch die Drehdurchführung aus. Anschließend durchströmt der Dampf ein Windrad und weiter in den Verdichter. Dort wird der Dampf wieder verflüssigt. Gegebenenfalls auch durch eine Kältemaschine. Die Wärmeüberträger und Nebenaggregate befinden sich außerhalb der Zentrifuge und können so in erforderlicher Größe gebaut werden ohne die Zentrifuge schwerer oder größer zu bauen als erforderlich. Gasphasen - Strömungskanal und Flüssigphasen- Strömungskanal sind in der zentralen Kammer der Zentrifuge voneinander durch eine Trennwand unterteilt. Die Flüssigphase gelangt in die Speisepumpe und der Kreisprozess ist geschlossen.

[0028] Die Anordnung der Wärmetauscher außerhalb der Zentrifuge ermöglicht größere Abmaße, trägt aber nicht zur Gewichtzunahme der Zentrifuge bei.

[0029] Die Zentrifuge selbst befindet sich in einem Behälter, der es ermöglicht die Außenwand der Zentrifuge zu stützen. Dazu können Rollen oder Magnetschwebetechnik genutzt werden. Falls erforderlich ist auch ein Antreiben der Zentrifuge mittels der Magnetschwebetechnik möglich. Ebenso kann die Drehzahl damit durch Abbremsen oder Beschleunigen geregelt werden.

[0030] Alternativ zur Überhitzung des Arbeitsmediums außerhalb der Zentrifuge kann an der Außenwand eine Heizung durch z.B. Rohrleitungen angebracht sein, in denen ein Fluid die Wärme aus der Wärmequelle einbringt und dadurch das Arbeitsmedium verdampft.

[0031 ] Eine weitere Anwendung des erfindungsgemäßen Kraftwerks ist geeignet, um bei der Luftzerlegung die Luft abzukühlen. An der Austrittsleitung wird dem dann abgekühlten Arbeitsfluid weitere Wärme durch ein einen niedrigeren Siedepunkt aufweisendes Arbeitsmedium entnommen. In einer Kolonne aus mehreren nacheinander gelegenen erfindungsgemäßen Kraftwerken kann Luft über Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher schrittweise weiter abgekühlt werden. Dies spart Energie und ermöglicht eine sehr kostengünstige Luftzerlegung. Das Kraftwerk an sich stellt schon eine Kältemaschine dar.

Kurzbeschreibung der Energiebilanz

[0032] Die Wärme der Umgebung verdampft eine Flüssigkeit mit einem Siedepunkt unter der zugeführten Wärme. Eine Wärmesenke ist gegeben. Der Dampf, bei gleicher Temperatur wie der Siedsumpf, nimmt Enthalpie in Form von Trennungsarbeit gegen die van der Waals Kräfte(Gecko-Kraft) auf. Weitere Trennungsarbeit ist für die Überwindung der Dipol Kräfte aufgenommen. Diese aufgenommenen Kräfte bewirken ein Aufsteigen des Dampfes. Die barometrische Höhenformel zeigt, dass Enthalpie in Lageenergie umgewandelt ist. Bei der Höhenarbeit sinkt folglich Temperatur und Druck. [0033] Zur Kondensation ist diese Enthalpie, die zum Teil schon in Lageenergie umgewandelt ist, wieder abzuführen und zwar durch Verdichter und Kühler. Da eine Wärmepumpe mit Leistungszahl 5 für 1 Kw elektrisch 4 Kw Wärme transportieren kann bleibt eine nutzbare Energiebilanz. Im Weiteren stellt die gefüllte Säule ein Lageenergiekraftwerk wie ein Talsperrenkraftwerk dar. Je höher diese umso mehr Energie ist zu generieren. Wie in der zitierten Patentliteratur erwähnt werden dort Gebäude oder Schächte zum Einsatz gebracht, dadurch steht jedoch nicht ausreichende Höhe zur Verfügung.

[0034] Eine Zentrifuge kann dies künstlich bieten. Die aufsteigenden und herabfallenden Massen, z.B. Ein Kg pro Sekunde sind in der Waage und führen so nicht zum Pirouetteneffekt. Gewicht nach außen langsameres rotieren und umgekehrt. So ist die Zentrifuge keine Pumpe mit Energieverbrauch, sondern ein Schwungrad, welches geringe Energie zum rotieren benötigt, sobald es auf Drehzahl gebracht ist.

[0035] Der Energieertrag steigt mit der "Höhe" stärker an, als der Energiebedarf für die Kondensation durch eine Kältemaschine. Verdampfungsenthalpie und Kondensationswärme sind annähernd gleich.

[0036] Der Einsatz des vorgenannten Kraftwerks kann ohne Emissionen, ohne direkte Sonneneinstrahlung, bei Tag und Nacht, ohne Energiepflanzenmonokulturen und bei Windstille regenerativen Strom aus Umgebungswärme bereitstellen. Der Platzbedarf ist gering genug um auch auf Schiffen zum Einsatz zu kommen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

[0037] Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Kraftwerks ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkma- le für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von der Zusammenfassung in einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.

[0038] In den Zeichnungen zeigen

[0039] Fig. 1 das Kraftwerk in einer Ausführung als Funktionsschema;

[0040] Fig.2 das Kraftwerk in einer weiteren Ausführung mit Zentrifuge und außenliegenden Wärmetauschern und Nebenaggregaten;

[0041 ] Fig.3 das Kraftwerk mit Zentrifuge in der Draufsicht im Schnitt l-l, wobei die einzelnen Komponenten des erfindungsgemäßen Kraftwerks als Schema dargestellt sind.

Ausführung der Erfindung

[0042] Wie aus Fig.l ersichtlich, ist zumindest ein erster vorzugsweise turmartiger Strömungskanal 2 vorgesehen, in dem mittels mindestens eines Verdampfers 7 / Wärmetauscher 7.1 erzeugter Dampf 19 gegen die Schwerkraft, alternativ auch durch eine Zentrifuge 22 künstlich erzeugte Schwerkraft, emporsteigt, darin eine Turbine 10.2 antreibend, und zumindest ein zweiter Strömungskanal 3 vorgesehen ist, in dem mittels eines Kondensators 10 aus dem Dampf verflüssigte Flüssigkeit hinunter strömt, wobei die Strömungsenergie der den Strömungskanal 3 hinunter strömenden Flüssigkeit mittels mindestens einer Vorrichtung 4 zur Umwandlung von Strömungsenergie in Rotationsenergie umgewandelt wird.

[0043] Die dem Turm 2 in der Funktion entsprechende Zentrifuge 22 weist im Inneren des umgebenden Gehäuses 21 Rollen 20 oder Magnetschwebetechnik 20.1 auf, an dem sich Zentrifugenwand 22 abstützen kann. [0044] Flüssigphase und Dampfphase treten durch Drehdurchführungen 25 in bzw. aus der Turbine ein und aus.

[0045] Durch Verdampfen/überhitzen eines Arbeitsmediums in einem Verdampfer 7 / Wärmetauscher 7.1 wird somit ein Dampfphasen- Strömungskanal 2 mit Sattdampf 19 gefüllt.

[0046] Dazu wird durch eine Zuleitung 17, 1 7.1 Wärme aus Abwärme, von z.B. BHKW, Sonnenwärme, Geothermie, konventionellen Kraftwerken, industriellen Prozessen oder Umgebung, Wärme zugeführt und der abgekühlte Wärmeüberträger (z. B. Wasserdampf, Wasser, Luft, Thermoöl etc.) durch Rückleitung 18, 18.1 zum Wärmelieferanten zurückgeführt.

[0047] Der Sattdampf 19 steigt in dem Strömungskanal 2 mittels des Dampfdruckes empor und wird in einem Verflüssiger 10 nach Verdichtung in einem Verdichter 10.1 in einer Kältemaschine 8 oder durch Abgabe an die Umgebung abgekühlt und läuft in die Flüssigphasensäule 3, diese bis oben füllend.

[0048] Das flüssige zum Einsprühen vorgesehene, abzukühlende Arbeitsmedium gelangt durch eine Leitung 12 in die Kältemaschine 8, die einen eigenen Kühlkreislauf aufweist. Als Wärmesenke für die Kältemaschine 8 wird der Verdampfer 7, 7.1 mittels der Leitungen 15 und 16 genutzt.

[0049] Zur Vermeidung von Wärmezutritt in die Anlage ist diese mit einer Wärmedämmung 26 versehen, so dass nur durch die Leitungen 17 und 18 bzw. 1 7.1 und 18.1 Wärme zugeführt werden kann.

[0050] Die Kühlung des Verflüssigers 10 erfolgt vorteilhaft durch eine Zufuhrleitung 9 und eine abführende Leitung 1 1 zur Kältemaschine 8. [0051 ] Der somit gefüllte Flüssigphasen-Strömungskanal 3 bildet hydrostatischen Druck aus, der mithilfe des Wasserrades 4 und durch das Druckregelventil 5.1 gesteuert, Wellenleistung an einen Generator zur Stromerzeugung liefert.

[0052] Flüssigphasen- und Dampfphasenkanal sind in der Zentrifuge 22 durch Trennwand 23 voneinander getrennt, so dass nur durch die Turbinen-Generator Einheit 4 Arbeitsmedium in den Dampfphasenkanal 2 gelangt.

[0053] Die zur Verdampfung notwendige Wärmeenergie wird außerhalb der Zentrifuge 22 in den Überhitzer 7.1 durch die Leitungen 17 und 18 zugeführt und zur Vermeidung von vorzeitigem Sieden durch eine Speisepumpe 24 auf höheren Druck gebracht. Das Arbeitsmedium kann somit überhitzt werden und verdampft erst nach Austritt aus dem Druckregelventil 5.1 in der Düse 5.2.

[0054] Alternativ führt eine Heizleitung 17.1 und 18.1 die zur Verdampfung notwendige Wärme ebenfalls durch die Drehdurchführung 25 in die Zentrifuge 22 aus der Wärmequelle zu.

[0055] Das erfindungsgemäße Kraftwerk beschränkt sich in seiner Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsformen. Vielmehr sind eine Vielzahl von Ausgestaltungsvariationen denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteter Ausführung Gebrauch machen.

[0056] Als zum Beispiel zur Einrichtung von Habitaten auf dem Saturnmond Titan oder durch Entnahme von Wärme aus einem Habitat auf der Venus. In Ariden Zonen auch Kühlung von Gebäuden und mit dem Strom Meerwasser entsa Izen. Liste der Bezugsziffern

I Kraftwerk

1 .1 Kraftwerk in der Ausführung mit Zentrifuge

2 Gasphasen-Strömungskanal

3 Flüssigphasen-Strömungskanal

4 Wasserrad- Generatoreinheit

5 Zuleitung zum Verdampfer mit Druckregelventil

5.1 Druckregelventil mit Düse(5.2)

6 Zuleitung zum Verdampfer /Überhitzer

7 Verdampfer

7.1 Überhitzer

8 Kältemaschine

9 Kühlkreisleitung zum Kondensator

io Kondensator

10.1 Verdichter

10.2 Windturbine

I I Rückleitung vom Kondensator

12 Entnahmeleitung zur Kältemaschine

13 Leitung zur Einsprühdüse

13.1 Einsprühdüse

14 Pumpe für die Einsprühdüse

15 Zufuhrleitung zum Verdampfer 7 bzw. Überhitzer 7.1 aus der

Kältemaschine

16 Rückleitung vom Verdampfer zur Kältemaschine 8

17 Wärmezufuhrleitung von der externen Wärmequelle 17.1 Wärmezufuhrleitung in der Zentrifuge

18 Rückleitung zur externen Wärmequelle

18.1 Rückleitung aus der Zentrifuge zur externen Wärmequelle 19 Sattdampf

20 Stützrollen

20.1 Magnetschwebetechnik

21 Schutz und Stützgehäuse Zentrifugenwand

Trennwand Dampf - Flüssigkeif Speisepumpe

Drehdurchführung

Wärmedämmung