(19)
(11) EP 2 765 279 A2

(12) EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG

(43) Veröffentlichungstag:
13.08.2014  Patentblatt  2014/33

(21) Anmeldenummer: 14154153.2

(22) Anmeldetag:  06.02.2014
(51) Internationale Patentklassifikation (IPC): 
F01K 15/00(2006.01)
F01K 27/00(2006.01)
(84) Benannte Vertragsstaaten:
AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR
Benannte Erstreckungsstaaten:
BA ME

(30) Priorität: 07.02.2013 DE 102013101214

(71) Anmelder: EN3 GmbH
18182 Bentwisch (DE)

(72) Erfinder:
  • Genz, Toralf
    18119 Rostock (DE)
  • Günther, Eggert
    18209 Bad Doberan (DE)
  • Günther, Norbert
    18311 Ribnitz-Damgarten (DE)
  • Wolff, Frank
    18069 Rostock (DE)

(74) Vertreter: Garrels, Sabine 
Schnick & Garrels Patentanwälte Schonenfahrerstrasse 7
18057 Rostock
18057 Rostock (DE)

   


(54) Verfahren zur direkten Umwandlung von Dampfenergie in mechanische Energie und thermohydraulische Anordnung zur Durchführung des Verfahrens


(57) 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.
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.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren, in welchem in einem geschlossenen Kreislauf aus einem Arbeitsfluid Dampf (2) erzeugt wird, welcher alternierend in die Druckbehälter (601, 602) gelangt, wodurch das in dem entsprechenden Druckbehälter befindliche Arbeitsfluid 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 anschließend in den Kreislauf zurückgeführt wird. Das Verfahren wird durch eine erfindungsgemäße thermohydraulische Anordnung umgesetzt.




Beschreibung


[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



Ansprüche

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.
 




Zeichnung














Angeführte Verweise

IN DER BESCHREIBUNG AUFGEFÜHRTE DOKUMENTE



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In der Beschreibung aufgeführte Patentdokumente