[0001] Gegenstand der Erfindung ist ein thermohydraulisches Dampfkraftsystem zur direkten
Umwandlung von Dampfenergie in mechanische Energie, welches eine Anordnung von wenigstens
zwei Druckbehältern für Arbeitsmedien nutzt, die abwechselnd gefüllt und durch Dampfdruck
zur Nutzarbeit entleert werden.
[0002] Der übliche Weg zur Umwandlung von Dampfenergie in mechanische Energie besteht in
der Verwendung von Kolbendampfmaschinen oder Dampfturbinen, in denen im Clausius-Rankine-Prozess
durch eine Dampfentspannung die Umwandlung in mechanische Energie stattfindet. Die
hierzu zur Verfügung stehenden Technologien und Mechanismen weisen einen hohen technischen
Reifegrad auf. Je nach Anwendungsfall der durchzuführenden Umwandlung ist jedoch der
notwendige bauliche und betriebstechnische Aufwand beträchtlich. Vor der Entwicklung
der Dampfmaschinen- und Dampfturbinentechnik führte die beginnende Industrialisierung
bereits zu Umwandlungstechnologien, die ohne die genannte Maschinentechnik auskamen.
In englischen Bergwerken erfolgte bereits teilweise die Entwässerung mit Hilfe der
Dampfkraft. Diese Technik ist bekannt unter der Bezeichnung kolbenlose Dampfpumpe.
Sie wurde 1698 von Denis Papin entwickelt und 1699 von Thomas Savery zu weiterer Reife
geführt.
[0003] Auch mit dem Siegeszug der Dampfmaschinen- und Dampfturbinentechnik blieben in einigen
Anwendungsgebieten Aufgaben der Dampfpumpentechnik erhalten. In der chemischen Industrie
erfolgt auch heute aus Gründen der Explosionssicherheit der Einsatz sogenannter Duplexpumpen
dann, wenn explosible Flüssigkeiten wie beispielsweise Benzin zu fördern sind.
[0004] US 3830065 A beschreibt ein hydrostatisches Antriebssystem mit zwei Vorratstanks, bei dem alternierend
Dampf in einen der beiden Vorratstanks geleitet wird, so dass ein Arbeitsfluid aus
dem ersten Tank durch den Druck des Dampfes einen Fluidmotor antreibt, bevor das Fluid
in den zweiten Tank zurückgeführt wird. Das Fluid wird im ersten Tank in dem Moment
aufgefüllt, wenn der zweiten Tank mit Dampf beaufschlagt wird.
[0005] US2006059912 (A1) beschreibt ein Kraftwerk mit mindestens zwei Druckbehältern, welche ein Hydraulikfluid
enthalten. Eine Wärmetauscheranordnung hat eine Wärme übertragende Verbindung mit
den Druckbehältern. Die Hydraulikleitung ist hydraulisch mit dem Druckbehälter verbunden.
Ein Steuermechanismus ist der Wärmetauscheranordnung zugeordnet, um den Druck in einem
der Druckbehälter gegenüber dem anderen abwechselnd zu erhöhen.
[0006] US6834503 B2 betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Dampfwärmekraftmaschine, wobei der heiße
Dampf aus einem Arbeitsmedium mittels einer Druckentlastungseinrichtung in kinetische
Energie umgewandelt wird.
[0007] In
US 3608311 A wird eine Dampfkraftmaschine offenbart, welche mindestens zwei Kammern aufweist mit
einem flüssigen und einem gasförmigen Bereich.
Darstellung der Erfindung
[0008] Für die vorliegende Erfindung wird die Aufgabe gestellt, ein Verfahren und eine Anordnung
zu beschreiben, bei der der sonst übliche Kolben von Verdränger-Maschinen ersetzt
werden kann und eine direkte Umwandlung von Dampfenergie in rotierende mechanische
Nutzenergie ohne Zwischenschalten weiterer mechanischer Bauteile im Energiefluss erfolgt.
[0009] Die dieser Aufgabenstellung entsprechende Lösung ist das technische Analogon zur
direkten Umwandlung der Energie eines strömenden Dampfkörpers in rotierende mechanische
Nutzenergie in einer Dampfturbine.
[0010] Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren zur direkten Umwandlung von Dampfenergie
in mechanische Energie, welches eine Anordnung von wenigstens zwei Druckbehältern
für Arbeitsmedien nutzt, die abwechselnd gefüllt und durch Dampfdruck zur Nutzarbeit
entleert werden, wobei in einem geschlossenen Kreislauf aus einem Arbeitsfluid Dampf
erzeugt wird, welcher alternierend in die Druckbehälter gelangt, wodurch das in dem
entsprechenden Druckbehälter befindliche Arbeitsfluid mit einem Druck beaufschlagt
und als Flüssigkeitskörper in ein Hydroaggregat gedrückt wird, um dort in mechanische
Energie umgewandelt zu werden und dass das dadurch entspannte Arbeitsfluid anschließend
in den Kreislauf zurückgeführt wird. Für das Verfahren werden alle im Prozess angeordneten
Ventile zeitgleich derart gesteuert, dass in einem ersten Prozesstakt ein erster Druckbehälter
mit dem in einem Dampferzeuger erzeugten Dampf beaufschlagt wird, und zeitgleich und
parallel dazu ein zweiter Druckbehälter mit dem Arbeitsfluid aus einem Sammelbehälter
gefüllt wird, wodurch der in dem zweiten Druckbehälter befindliche restliche Dampf
aus dem zweiten Druckbehälter in einen Kondensator geleitet und dort verflüssigt wird
und als Kondensat des Arbeitsfluides in den Sammelbehälter zurück geführt wird und
damit sowohl für das Befüllen der Druckbehälter als auch für den Dampferzeuger wieder
bereit steht. Bei Erreichen eines minimalen Füllstandes des Arbeitsfluides in dem
ersten Druckbehälter werden in einem nächsten Prozesstakt alle Ventile im Block umgeschaltet,
so dass im ersten und im zweiten Druckbehälter die Prozessabläufe getauscht werden.
[0011] Für ein erstes Ausführungsbeispiel werden die Ventile über eine gemeinsame Ventilsteuereinrichtung
betätigt, so dass eine synchrone Steuerung der Dampf- und Medienströme in Abhängigkeit
von den Füllständen der Druckbehälter erfolgt.
[0012] Es wird für ein weiteres Ausführungsbeispiel als Arbeitsfluid ein 2-Phasen-Fluid
verwendet, welches in seiner dampfförmigen Phase den erzeugten Druck auf einen Flüssigkeitskörper
aus dem gleichen Arbeitsfluid überträgt.
[0013] Ein anderes Ausführungsbeispiel verwendet als Arbeitsfluid ein 2-Phasen-Fluid, welches
in seiner dampfförmigen Phase den erzeugten Druck auf einen Füssigkeitskörper überträgt,
der aus einem zweiten Arbeitsfluid besteht, welches mit dem ersten Arbeitsfluid in
keiner im Prozess auftretenden Phase lösbar, emulgierbar oder mischbar ist. es soll
eine stoffliche und thermische Trennung der unterschiedlichen Arbeitsfluide erfolgen.
Als erstes Arbeitsfluid wird beispielsweise Wasser und als zweites Arbeitsfluid Paraffinöl
verwendet.
[0014] Für eine weitere Ausführungsform sind die Druckbehälter extern beheizbar, so dass
durch eine Wärmezufuhr während der Expansion des Dampfes eine isotherme Expansion
erreicht wird.
[0015] Die erfindungsgemäße thermohydraulische Anordnung zur direkten Umwandlung von Dampfenergie
in mechanische Energie nutzt mindestens zwei Druckbehälter für Arbeitsmedien, die
abwechselnd gefüllt und durch Dampfdruck zur Nutzarbeit entleert werden. Sie ist dadurch
gekennzeichnet, dass in einem geschlossenen Kreislauf ein Dampferzeuger, welcher mit
einem Arbeitsfluid aus einem Sammelbehälter gespeist wird, mit den Druckbehältern
verbunden ist, so dass diese alternierend mit einem Dampf des Arbeitsfluides beaufschlagt
werden. Die Druckbehälter sind ihrerseits mit dem Sammelbehälter für das erste Arbeitsfluid
oder für ein zweites Arbeitsfluid, mit einem Kondensator und mit einem Hydroaggregat
verbunden. Sowohl der Kondensator als auch das Hydroaggregat sind ebenfalls mit dem
Sammelbehälter verbunden.
[0016] In dem geschlossenen Kreislauf sind Ventile zwischengeschaltet, die über eine Umschalteinrichtung,
welche mit dem Hydroaggregat in Wirkverbindung steht, gleichzeitig im Block geschaltet
werden. Die zwischengeschalteten Ventile sind für eine Ausführungsform in einer Ventilsteuereinrichtung
zusammenfasst und werden in Abhängigkeit von den Füllständen in den Druckbehältern
im Block gesteuert.
[0017] Die Druckbehälter sind von gerader zylindrischer Gestalt und in zwei Arbeitsbereiche
unterteilt. Die Arbeitsbereiche der Druckbehälter sind für eine erste Ausführungsform
durch jeweils einen beweglichen Schwimmer unterteilt, wobei sich unterhalb des Schwimmers
das Arbeitsfluid und oberhalb des Schwimmers der Dampf befindet.
[0018] Die Schwimmer sind der Querschnittsform der Druckbehälter dichtend angepasst und
liegen wärmedämmend auf dem Arbeitsfluid schwimmend auf, so dass ein unmittelbarer
Temperaturausgleich zwischen Dampf und dem Arbeitsfluid verhindert wird. Die Schwimmer
sind mit einer mittigen Öffnung versehen, in welcher ein doppeltes, ebenfalls schwimmendes,
selbsttätiges Plattenventil angeordnet ist.
[0019] In einer weiteren Ausführungsform ist zur Trennung für das erste und das zweite Arbeitsfluid
als Abscheider der Sammelbehälter angeordnet, wobei der Sammelbehälter für das Arbeitsfluid
über eine Speisepumpe mit dem Dampferzeuger verbunden ist und für das Arbeitsfluid
über eine Förderpumpe und ein Ventil mit den Druckbehältern verbunden ist.
[0020] Ein Druckspeicher steht mit dem Hydroaggregat in Wirkverbindung, um Druckschwankungen
in der Anordnung auszugleichen.
[0021] Der Grundgedanke der Erfindung liegt im Folgenden. Der Dampfdruck wirkt auf einen
Flüssigkeitskörper, der infolge des Dampfdrucks in ein Hydroaggregat geleitet wird.
Die Energiewandlung vom Arbeitsvermögen des Dampfdrucks in mechanisches Arbeitsvermögen
findet direkt in dem Hydroaggregat statt. Damit bilden der Flüssigkeitskörper im Verbund
mit einem Hydromotor oder einer Hydroturbine eine Kraftmaschine mit der Funktion eines
Dampfexpanders.
[0022] In den bekannten Dampfturbinen wirkt dagegen der Dampfdruck auf einen mechanischen
Verdränger-Kolben, der seinerseits mit einem mechanischen Triebwerk verbunden ist
(was diese Wirkungskette als Kraftmaschine charakterisiert).
[0023] Ein weiterer Gedanke der Erfindung ist es, dass der durch die Hydroaggregat geführte
Flüssigkeitskörper anschließend wieder dem Arbeitsprozess zugeführt wird, wobei er
sowohl seinen anfänglichen Charakter als inkompressibler Flüssigkeitskörper behält
als auch als Kesselmedium für die Dampferzeugung verwendet werden kann, wie auch in
flexibler Umkehrung, dass der bei der Verdrängung des Flüssigkeitskörpers kondensierende
Dampf zum Flüssigkeitskörper hinzugefügt wird.
[0024] Erfindungsgemäß ist, fußend auf der von Thomas Savery geschaffenen Anordnung von
zwei Druckbehältern für Flüssigkeitskörper, die abwechselnd gefüllt und durch den
Dampfdruck zur Nutzarbeit entleert werden, eine Ventilsteuereinrichtung im System
angeordnet, die von dem Hydroaggregat mechanisch angetrieben, aktiviert wird, abhängig
von den Füllständen in den Druckbehältern und die die Steuerfunktionen für das Füllen,
Öffnen, Entlüften dieser Druckbehälter sowie die Rückleitung des Dampfkondensats bzw.
eines Teils des Flüssigkeitskörpers in den Dampfkreislauf übernimmt.
[0025] In einer Ausführungsform arbeitet die Anordnung mit nur einem Medium, welches in
zwei Phasen, flüssig und dampfförmig, im System zirkuliert. Und in einer weiteren
Ausführungsform arbeitet die Anordnung mit zwei unterschiedlichen Medien, die miteinander
nicht mischbar oder löslich sind, wobei eines der Medien wiederum in dampfförmiger
und flüssiger Phase zum Einsatz kommt und das zweite Medium nur als Verdränger-Flüssigkeitskörper
eingesetzt wird. In einem Abscheide-Behälter trennen sich beide flüssigen Medien nach
dem Durchlaufen des Prozesses so, dass sie separat dem Dampferzeuger als auch den
Druckbehältern zugeführt werden können.
[0026] Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist es, dass es keine Leistungsbegrenzung
nach oben gibt.
Ausführung der Erfindung
[0027] Die erfindungsgemäße Lösung wird an Ausführungsbeispielen beschrieben. Hierzu zeigt
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel zur direkten Umwandlung von Dampfenergie in
mechanische Energie,
Figur 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel zur direkten Umwandlung von Dampfenergie
in mechanische Energie und
Figur 3 eine detaillierte Darstellung des Schwimmers.
[0028] Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung zur direkten Umwandlung von Dampfenergie
in mechanische Energie. Ein Dampferzeuger 1 ist über eine Dampfleitung 2 mit einer
Ventilsteuereinrichtung 3 verbunden. Ein Sammelbehälter 16 für ein Arbeitsfluid 19
ist über eine Speiseleitung 18 ebenfalls mit dem Dampferzeuger 1 verbunden. In der
Speiseleitung 18 ist eine Speisepumpe 17 angeordnet. Der Sammelbehälter 16 ist über
eine Füll-Leitung 11, in welcher eine Förderpumpe 10 angeordnet ist, mit einem Ventil
301 verbunden, um die Druckbehälter 601 und 602 abwechselnd mit dem Arbeitsfluid 19
zu füllen.
[0029] Die Druckbehälter 602 und 601 sind in zwei Arbeitsbereiche durch einen Schwimmer
222 bzw. 221 unterteilt, wobei sich im unteren Bereich das Arbeitsfluid 19 und im
oberen Bereich der Dampf 191 des Arbeitsfluides 19 befindet.
[0030] Das Ventil 301 ist einerseits über eine Füll-Leitung 202 mit dem Druckbehälter 602
und andererseits über eine Füll-Leitung 201 mit dem Druckbehälter 601 verbunden. Eine
Medienleitung 702 verbindet den Druckbehälter 602 im Bereich des Arbeitsfluides 19
mit dem Steuerventil 303, welches seinerseits über eine Medienleitung 8 mit einer
Hydroaggregat 5, insbesondere einem Hydromotor oder einer Hydroturbine, verbunden
ist. Ebenso ist der Druckbehälter 601 über eine Medienleitung 701 mit dem Steuerventil
303 verbunden. Oberhalb des Schwimmers 222 bzw. 221 im Druckbehälter 602 bzw. 601
führt jeweils eine Dampfleitung 122 bzw. 121 zum Ventil 302. Dieses ist mit einem
Dampfkondensator 13 über eine Dampfleitung 131 verbunden. Der Dampfkondensator 13
wiederum hat eine Verbindung über eine Fluidleitung 132 zum Sammeltank 16.
[0031] Das Hydroaggregat 5 ist mit der Ventilsteuereinrichtung 3 über einen Antrieb 4 verbunden,
welcher mit einer Umschalteinrichtung 21 für die Ventilsteuereinrichtung 3 versehen
ist. Eine Leitung 15 führt von einem Druckspeicher 14 zum Hydroaggregat 5.
[0032] Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Die Anordnung ist prinzipiell die
gleiche wie in Figur 1. Für dieses Ausführungsbeispiel werden zwei Arbeitsfluide 19
und 20 mit unterschiedlicher Dichte verwendet, wobei das Arbeitsfluide 19 eine höhere
Dichte aufweist als das Arbeitsfluid 20. Im Sammelbehälter 16 kommt es aufgrund der
unterschiedlichen Fluid-Eigenschaften nicht zu einer Durchmischung der Arbeitsfluide.
Das Arbeitsfluid 20 ist oberhalb des Arbeitsfluides 19 angeordnet. Auch ist es bei
dieser Ausführungsform nicht notwendig, in den Druckbehältern 603 und 604 Schwimmer
vorzusehen, da der Dampf 191 des Arbeitsfluides 19 wiederum eine geringere Dichte
als das Arbeitsfluid 20 aufweist und somit keine Durchmischung erfolgt. Die Arbeitsfluide
19 und 20 sind so gewählt, dass eine stoffliche und thermische Trennung erfolgt und
sich im Sammelbehälter 16 so entmischen, dass sie durch die Pumpen 10 und 17 getrennt
wieder den Kreisläufen zugeführt werden können. Eine geeignete Kombination solcher
Medien ist beispielsweise Wasser und Paraffinöl.
[0033] Zur Sicherung einer bestmöglichen Expansion des Dampfes 191 kann in den oberen Bereichen
der Druckbehälter 601, 602, 603 und 604 durch jeweils eine externe Heizung Wärmeenergie
zugeführt werden, was hier nicht weiter dargestellt werden soll. Dadurch wird die
Wärmeabstrahlung nach außen so weit ausgeglichen, dass eine isotherme Expansion stattfindet.
[0034] Figur 3 zeigt einen Schwimmer 22 im Detail, welcher in dem Druckbehälter 601 als
Schwimmer 221 und in dem Druckbehälter 602 als Schwimmer 222 bezeichnet wird. Der
Schwimmer 22 hat eine mittige Öffnung 23, in welcher ein doppeltes, ebenfalls schwimmendes,
selbsttätiges Plattenventil 24 in der Art angeordnet ist, dass beim Füllvorgang der
Druckbehälter 601 und 602 das Arbeitsfluid 19 durch die Öffnung 23 des Schwimmers
22 hindurch fließen kann. Das Plattenventil 24 sichert während des Füllvorgangs eines
Druckbehälters das Aufschwimmen des Schwimmers auf dem Flüssigkeitskörper des Arbeitsfluides
19.
[0035] Das Verfahren für die Anordnung nach Figur 1 kann folgendermaßen beschrieben werden.
Das Arbeitsfluid 19 wird über die Speiseleitung 18 und die Speisepumpe 17 zum Dampferzeuger
1 geleitet. Der im Dampferzeuger 1 infolge einer Zufuhr von thermischer Energie erzeugte
Dampf 191 des Arbeitsfluides 19 wird über die Dampfleitung 2, das geöffnete Ventil
301 und die Füll-Leitung 202 zum Druckbehälter 602 geführt. Der Druckbehälter 602
ist in zwei Arbeitsbereiche, welche übereinander liegen, unterteilt. Im unteren Arbeitsbereich
befindet sich das Arbeitsfluid 19, das durch den Druck des oberhalb des Schwimmers
222 einströmenden Dampfes 191 über die Leitung 702, das Ventil 303 und die Leitung
8 zum Hydroaggregat 5 (z.B. ein Hydromotor bzw. eine Hydroturbine) geführt wird. Das
Hydroaggregat 5 setzt die Energie des Arbeitsfluides 19 in mechanische Energie um.
Das Ventil 302 in Richtung Druckbehälter 602 ist geschlossen.
[0036] Nach dieser Energieumwandlung wird das nun drucklose Arbeitsfluid 19 über die Medienleitung
9 in den Sammelbehälter 16 zurückgeführt.
[0037] Zeitgleich und parallel zu diesem Ablauf wird der zweite Druckbehälter 601 über das
erste Ventil 301 mit dem Arbeitsfluid 19 aus dem Sammelbehälter 16 gefüllt. Hierzu
fördert die Pumpe 10 das Arbeitsfluid 19 über die Füll-Leitung 11, das Ventil 301
und die Leitung 201 in den Druckbehälter 601. Der in Figur 3 detailiert gezeigte Schwimmer
221 öffnet das Plattenventil 24, so dass das Arbeitsfluid 19 hindurch fließen kann.
Gleichzeitig wird der restliche Dampf 191, der sich in Druckbehälter 601 befindet,
über die Leitung 121, das Ventil 302 und die Leitung 131 zum Kondensator 13 gedrückt.
Im Kondensator 13 erfolgt die Kondensation des Dampfes 191 zu dem flüssigen Arbeitsfluid
19, welches über die Leitung 132 in den Sammelbehälter 16 zurück geführt wird.
[0038] Ist im ersten Druckbehälter 602 ein minimaler Füllstand des Arbeitsfluides 19 erreicht,
erfolgt über die Umschalteinrichtung 21 eine Umschaltung der Ventilsteuereinrichtung
3 mit den Ventilen 301, 302 und 303, so dass das Hydroaggregat 5 aus dem Druckbehälter
601 mit dem Arbeitsfluid 19 betrieben wird. Die Umschaltung der Ventilsteuereinrichtung
3 erfolgt entsprechend des minimalen Füllstandes des Arbeitsfluides 19 in dem jeweiligen
Druckbehälter 601 oder 602 abwechselnd.
[0039] Druckschwankungen während des Umschaltvorgangs oder aus anderen Gründen werden durch
den Druckspeicher 14 über die Leitung 15 ausgeglichen.
[0040] Der Antrieb der Pumpen 10 und 17 sowie der Umschalteinrichtung 21 kann mechanisch
durch das Hydroaggregat 5 erfolgen. Somit kann das System alternativ ohne elektrische
Hilfsenergie angefahren und betrieben werden.
[0041] Das Verfahren für die Anordnung nach Figur 2 ist in seiner Wirkungsweise ähnlich
dem Verfahren nach Figur 1. Die Anordnung nach Figur 2 wird mit zwei unterschiedlichen
Arbeitsfluiden 19 und 20 betrieben. Dabei ist das Arbeitsfluid 19 mit der höheren
Dichte für den Dampferzeuger 1 geeignet, während das Arbeitsfluid 20 Schmiereigenschaften
hat, die für den Betrieb der Hydroaggregat 5, in diesem Fall ein Hydromotor, erforderlich
sind.
[0042] Nach dem Durchlaufen aller Prozessphasen müssen sich die Arbeitsfluide 19 und 20
vollständig entmischen, so dass sie getrennt durch die Pumpen 10 und 17 zu ihren spezifischen
Anwendungen Dampferzeuger 1 und Hydroaggregat 5 transportiert werden können.
[0043] Die Arbeitsfluide 19 und 20 sind so gewählt, dass sie miteinander nicht mischbar
sind und sich im Sammelbehälter 16 so entmischen, dass sie durch die Pumpen 10 und
17 getrennt wieder den Kreisläufen zugeführt werden können. Eine geeignete Kombination
solcher Medien ist Wasser und Paraffinöl.
Bezugszeichen
[0044]
- 1
- Dampferzeuger
- 2
- Dampfleitung zwischen Dampferzeuger 1 und Ventilsteuereinrichtung 3
- 201
- Füll-Leitung zwischen Ventil 301 und den Druckbehältern 601, 603
- 202
- Füll-Leitung zwischen Ventil 302 und den Druckbehältern 602, 604
- 203
- Füll-Leitung zwischen Ventil 30 und den Druckbehältern 605
- 204
- Füll-Leitung zwischen Ventil 31 und den Druckbehältern 606
- 3
- Ventilsteuereinrichtung
- 301
- Ventil für die Dampfzufuhr zu den Druckbehältern 601, 602, 603, 604
- 302
- Ventil für die Dampfführung zum Kondensator 13
- 303
- Ventil für die Fluidführung zur Hydroaggregat 5
- 4
- Antrieb der Ventilsteuereinrichtung 3 von der Hydroaggregat 5
- 5
- Hydroaggregat
- 601
- Druckbehälter für das Arbeitsfluid 19
- 602
- Druckbehälter für das Arbeitsfluid 19
- 603
- Druckbehälter für das Arbeitsfluid 20
- 604
- Druckbehälter für das Arbeitsfluid 20
- 701
- Medienleitung von den Druckbehältern 601, 603 zum Steuerventil 303
- 702
- Medienleitung von den Druckbehältern 602, 604 zum Steuerventil 303
- 8
- Medienleitung vom Steuerventil 303 zur Hydroaggregat 5
- 9
- Medienleitung von der Hydroaggregat 5 zum Sammeltank 16
- 10
- Förderpumpe
- 11
- Füll-Leitung
- 121
- Dampfleitung vom Druckbehälter 601, 603 zum Ventil 302
- 122
- Dampfleitung vom Druckbehälter 602, 604 zum Ventil 302
- 13
- Dampfkondensator
- 131
- Dampfleitung vom Ventil 302 zum Kondensator 13
- 132
- Fluidleitung vom Kondensator 13 zum Sammelbehälter 16
- 14
- Druckspeicher
- 15
- Leitung vom Druckspeicher 14 zum Hydroaggregat 5
- 16
- Sammelbehälter
- 17
- Speisepumpe
- 18
- Speiseleitung
- 19
- Arbeitsfluid
- 191
- Dampf 191 des Arbeitsfluides 19
- 20
- zweites Arbeitsfluid, bei Verwendung von 2 unterschiedlichen Fluiden gemäß Fig. 2
- 21
- Umschalteinrichtung für die Ventilsteuereinrichtung 3
- 22
- Schwimmer
- 221
- Schwimmer im Druckbehälter 601
- 222
- Schwimmer im Druckbehälter 602
- 23
- Öffnung im Schwimmer
- 24
- Plattenventil im Schwimmer
1. Verfahren zur direkten Umwandlung von Dampfenergie in mechanische Energie, welches
eine Anordnung von wenigstens zwei Druckbehältern für Arbeitsmedien nutzt, die abwechselnd
gefüllt und durch Dampfdruck zur Nutzarbeit entleert werden, wobei in einem geschlossenen
Kreislauf aus einem Arbeitsfluid (19) Dampf (191) erzeugt wird, welcher alternierend
in die Druckbehälter (601, 602; 603, 604) gelangt, wodurch das in dem entsprechenden
Druckbehälter (601; 603 oder 602; 604) befindliche Arbeitsfluid (19; 20) mit einem
Druck beaufschlagt und als Flüssigkeitskörper in ein Hydroaggregat (5) gedrückt wird,
um dort in mechanische Energie umgewandelt zu werden und dass das dadurch entspannte
Arbeitsfluid (19; 20) anschließend in den Kreislauf zurückgeführt wird
gekennzeichnet dadurch, dass
alle im Prozess angeordneten Ventile (301, 302, 303) zeitgleich derart gesteuert werden,
dass in einem ersten Prozesstakt ein erster Druckbehälter (602; 604) mit dem in einem
Dampferzeuger (1) erzeugten Dampf (191) beaufschlagt wird, und zeitgleich dazu ein
zweiter Druckbehälter (601; 603) mit dem Arbeitsfluid (19; 20) aus einem Sammelbehälter
(16) gefüllt wird, wodurch der in dem zweiten Druckbehälter (601; 603) befindliche
restliche Dampf (191) aus dem zweiten Druckbehälter (601; 603) in einen Kondensator
(13) geleitet und dort verflüssigt wird und als Kondensat des Arbeitsfluides (19)
in den Sammelbehälter (16) zurück geführt wird und damit sowohl für das Befüllen der
Druckbehälter (601, 602; 603, 604) als auch für den Dampferzeuger (1) wieder bereit
steht, und dass bei Erreichen eines minimalen Füllstandes des Arbeitsfluides (19;
20) in dem ersten Druckbehälter (602; 604) in einem nächsten Prozesstakt alle Ventile
(301, 302, 303) im Block umgeschaltet werden, so dass im ersten und im zweiten Druckbehälter
die Prozessabläufe getauscht werden..
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile (301, 302, 303) über eine gemeinsame Ventilsteuereinrichtung (3) betätigt
werden, so dass eine synchrone Steuerung der Dampf- und Medienströme in Abhängigkeit
von den Füllständen der Druckbehälter (601, 602; 603, 604) erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass
als Arbeitsfluid (19) ein 2-Phasen-Fluid verwendet wird, welches in seiner dampfförmigen
Phase (191) den erzeugten Druck auf einen Flüssigkeitskörper aus dem gleichen Arbeitsfluid
(19) überträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass
als Arbeitsfluid (19) ein 2-Phasen-Fluid verwendet wird, welches in seiner dampfförmigen
Phase (191) den erzeugten Druck auf einen Füssigkeitskörper überträgt, der aus einem
zweiten Arbeitsfluid (20) besteht, welches mit dem ersten Arbeitsfluid (19) in keiner
im Prozess auftretenden Phase lösbar, emulgierbar oder mischbar ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass als erstes Arbeitsfluid (19) Wasser und als zweites Arbeitsfluid (20) Paraffinöl
verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass
die Druckbehälter (601, 602; 603, 604) extern beheizbar sind, so dass durch eine Wärmezufuhr
während der Expansion des Dampfes (191) eine isotherme Expansion erreicht wird.
7. Thermohydraulische Anordnung zur direkten Umwandlung von Dampfenergie in mechanische
Energie, welche mindestens zwei Druckbehälter für Arbeitsmedien nutzt, die abwechselnd
gefüllt und durch Dampfdruck zur Nutzarbeit entleert werden,
gekennzeichnet dadurch, dass
in einem geschlossenen Kreislauf ein Dampferzeuger (1), welcher mit einem Arbeitsfluid
(19) aus einem Sammelbehälter (16) gespeist wird, mit den Druckbehältern (601, 602;
603, 604) verbunden ist, so dass diese alternierend mit einem Dampf (191) des Arbeitsfluides
(19) beaufschlagt werden, und die Druckbehälter (601, 602; 603, 604) ihrerseits mit
dem Sammelbehälter (16) für das Arbeitsfluid (19) oder für ein zweites Arbeitsfluid
(20), mit einem Kondensator (13) und mit einem Hydroaggregat (5) verbunden sind, dass
sowohl der Kondensator (13) als auch das Hydroaggregat (5) mit dem Sammelbehälter
(16) verbunden sind.
8. Thermohydraulische Anordnung nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass
in dem geschlossenen Kreislauf Ventile (301, 302, 303) zwischengeschaltet sind, die
über eine Umschalteinrichtung (21), welche mit dem Hydroaggregat (5) in Wirkverbindung
steht, gleichzeitig im Block geschaltet werden.
9. Thermohydraulische Anordnung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass
die zwischengeschalteten Ventile (301, 302, 303) in einer Ventilsteuereinrichtung
(3) zusammengefasst sind und in Abhängigkeit von den Füllständen in den Druckbehältern
(601, 602; 603, 604) im Block gesteuert werden.
10. Thermohydraulische Anordnung nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass
die Druckbehälter (601, 602; 603, 604) von gerader zylindrischer Gestalt und in zwei
Arbeitsbereiche durch jeweils einen beweglichen Schwimmer (22; 222; 221) unterteilt
sind, wobei sich unterhalb des Schwimmers (22; 222; 221) das Arbeitsfluid (19) und
oberhalb des Schwimmers (22; 222; 221) der Dampf (191) befindet.
11. Thermohydraulische Anordnung nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass
die Schwimmer (22; 222; 221) der Querschnittsform der Druckbehälter (602; 601) dichtend
angepasst sind und wärmedämmend auf dem Arbeitsfluid (19) schwimmend aufliegen, so
dass ein unmittelbarer Temperaturausgleich zwischen Dampf (191) und dem Arbeitsfluid
(19) verhindert wird.
12. Thermohydraulische Anordnung nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass
die Schwimmer (22; 222; 221) mit einer mittigen Öffnung (23) versehen sind, in welcher
ein doppeltes, ebenfalls schwimmendes, selbsttätiges Plattenventil (24) angeordnet
ist.
13. Thermohydraulische Anordnung nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass
das Arbeitsfluid (19) ein 2-Phasen-Fluid ist, welches in seiner dampfförmigen Phase
(191) den erzeugten Druck auf einen Flüssigkeitskörper aus dem gleichen Arbeitsfluid
(19) überträgt.
14. Thermohydraulische Anordnung nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass
das Arbeitsfluid (19) ein 2-Phasen-Fluid ist, welches in seiner dampfförmigen Phase
(191) den erzeugten Druck auf einen Füssigkeitskörper überträgt, der aus einem zweiten
Arbeitsfluid (20) besteht, welches mit dem Arbeitsfluid (19) in keiner im Prozess
auftretenden Phase lösbar, emulgierbar oder mischbar ist.
15. Thermohydraulische Anordnung nach Anspruch 16 oder 17 dadurch gekennzeichnet, dass
das erste Arbeitsfluid (19) Wasser und das zweite Arbeitsfluid (20) Paraffinöl ist.
16. Thermohydraulische Anordnung nach Anspruch 8 oder den Ansprüchen 15 bis 17 dadurch gekennzeichnet, dass
zur Trennung für das erste Arbeitsfluid (19) und das zweite Arbeitsfluid (20) als
Abscheider der Sammelbehälter (16) angeordnet ist, wobei der Sammelbehälter (16) für
das Arbeitsfluid (19) über eine Speisepumpe (17) mit dem Dampferzeuger verbunden ist
und für das Arbeitsfluid (20) über eine Förderpumpe (10) und das Ventil (301) mit
den Druckbehältern (603, 604) verbunden ist.