DE10234568A1 - Convective energy recovery in closed flow system involves thermodynamically describable or defined closed circulation process occurring in heat transport medium for each circulation in circuit system - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur konvektiven Energiegewinnung in einem strömungstechnisch geschlossenen Kreislaufsystem, in dem ein Wärmeträgermedium, welches zugleich Arbeitsmedium ist, zirkuliert, dass hydro- und thermodynamisch mindestens eine Wärmequelle und eine Wärmesenke unterschiedlicher Temperatur miteinander verbindet und in den Bereichen der Wärmequelle und -senke ein Wärmeaustausch zwischen dem zirkulierenden Wärmeträgermedium und Wärmereservoir insbesondere über installierte Wärmetauscher vollzogen wird, wobei die Wärmequelle insbesondere örtlich unterhalb der Wärmesenke lokalisiert ist, so dass infolge stattfindender Wärmeaustauschprozesse das Wärmeträgermedium einer konvektiven hydromechanischen Strömung unterworfen wird, so dass sich über lokale Abschnitte des Kreislaufsystems oder innerhalb des strömenden Wärmeträgermediums im Gravitationsfeld Druckunterschiede aufbauen, die zusammenfassend einen thermisch initiierten gravimetrisch-konvektiv strömenden Wärmeträger-Medienkreislauffluss ergeben sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.The invention relates to a method for convective energy generation in a fluidically closed Circulatory system in which a heat transfer medium, which is also working medium, circulates that hydro and thermodynamically at least one heat source and one heat sink different temperature connects and in the areas the heat source and sink heat exchange between the circulating heat transfer medium and heat reservoir especially about installed heat exchanger is carried out, the heat source especially locally below the heat sink is localized so that as a result of heat exchange processes taking place the heat transfer medium is subjected to a convective hydromechanical flow, so that yourself about local sections of the circulatory system or within the flowing heat transfer medium build up pressure differences in the gravitational field, the summarizing a thermally initiated gravimetric-convective flowing heat transfer medium circuit flow result and an apparatus for performing this method.
Bekannt ist, dass bei Konvektion im Schwerefeld der die Wärme tragende Stoff, zumeist Fluide (flüssige und gasförmige Stoffe), selbst von einem Ort zum anderen fließt. Es ist auch bekannt, dass sich Stoffe bei ihrer Erwärmung ausdehnen und somit ihre Dichte verringern, so dass die in die konvektive Wärmeübertragung eingebundene erwärmte Stoffmenge in einem künstlich geschaffenen oder natürlichen Schwerefeld von selbst vom Ort niederen zum Ort höheren gravimetrischen Potentials fließt. Auf diese Weise kann der Stoffstrom ohne Zuhilfenahme von Zusatzenergien aufrechterhalten werden.It is known that with convection in the gravitational field of the heat load-bearing material, mostly fluids (liquid and gaseous substances), even flows from one place to another. It is also known that substances when they heat up expand and thus reduce their density, so that in the convective heat transfer incorporated heated Amount of substance in an artificial created or natural Gravitational gravity field automatically from the lower place to the higher place Potential flows. In this way, the material flow can be done without the use of additional energy be maintained.
Die bekanntesten Beispiele dafür sind in Gewässern aufsteigende warme oder absinkende kalte Wassermassen oder in der Atmosphäre das Auftreten von Thermiken. Diese Vorgänge laufen als stofflich offener Prozess ab.The best known examples of this are in waters rising warm or sinking cold water masses or in the the atmosphere the appearance of thermals. These processes run as an open process from.
Dieses Prinzip des konvektiven Energietransports wird in Flüssigkeitskreisläufen seit langem effizient zu Heizungszwecken, z.B. mittels der umwälzpumpenfreien Warmwasser-Schwerkraftheizung genutzt. Dabei durchströmt ein in einem Rohrleitungs-Kreislaufsystem eingeschlossenes flüssiges Wärmeträgermedium einen örtlich im unteren Teil des Rohrleitungssystems befindlichen Wärmetauscher, zugleich die Wärmequelle, zumeist ist das der Heizkessel und nimmt Wärmeenergie auf. Dabei erfährt das Medium eine Temperaturerhöhung, dehnt sich unter Dichteverringerung aus und beginnt konvektiv in der Steigleitung des Rohrleitungssystems nach oben zu steigen, wo es im oberen Gebiet Wärmetauscher als Wärmesenken durchströmt und dabei unter Temperaturerniedrigung und Dichteerhöhung Wärmeenergie an die Umgebung abgibt, um danach im Fallrohrleitungsstrang nach unten in Richtung Wärmequelle zu sinken. Dieser Prozess läuft solange als Kreisprozess, wie unten Wärme zugeführt und oben Wärme abgeführt wird.This principle of convective energy transport has been in fluid circuits since efficient for heating purposes, e.g. by means of the circulation pump-free Hot water gravity heating used. It flows through an a liquid heat transfer medium enclosed in a pipeline circulation system one locally heat exchanger located in the lower part of the piping system, at the same time the heat source, mostly is the boiler and absorbs heat energy. This is what it learns Medium a temperature increase, expands under density reduction and starts convectively in the riser of the piping system to go up where it in the upper area heat exchanger as heat sinks flows through and thermal energy while lowering the temperature and increasing the density releases to the environment, then in the down pipe line after down towards the heat source to sink. This process is ongoing as long as a cycle, as heat is added below and heat is removed above.
Aus der
Aus der
Nachteilig bei diesen Verfahren ist,
dass nur sehr geringe Energiemengen als Exergie geliefert werden können, was
an der geringen exergetischen Energiestromdichte des zirkulierenden
Fluids liegt. Das in der
Es gibt aber auch zahlreiche Erfindungsbeschreibungen,
wonach durch gravimetrisch thermisch getriebene konvektive Fluidzirkulationsprozesse
direkt oder indirekt mit und ohne Gasaustausch Schwimmkörper und
oder Auftriebs-Arbeitsmaschinen
für die
Exergieauskopplung sorgen sollen. Beispielsweise stellt die
Sehr bekannt ist die Gruppe der Konvektionskraftanlagen, die thermische Auf- oder Abwinde nutzen. Am bekanntesten sind Aufwindkraftwerks-Projekte, wonach z.B. in Sonnenscheinregionen der Erde unter definiert angelegten transparenten Dachflächen mit einem Kamin in der Mitte ein Treibhauseffekt erzeugt wird. Scheint die Sonne auf die Dachanlage, dann strömt die darunter erwärmte Luft durch den Kamin nach oben ab und treibt über darin befindliche Flügelräder einen Generator zur Stromerzeugung an.The group of convection power plants is very well known, the thermal up or Use winds. The most well-known are updraft projects, after which e.g. in sunshine regions of the world under defined transparent roof surfaces with a chimney in the middle creates a greenhouse effect. Seems the sun on the roof system, then the heated air flows down through the chimney and drives one via the impellers inside Generator to generate electricity.
Nachteilig ist bei den Aufwindkraftwerken, dass sie vergleichsweise große Installationsareale benötigen, hinsichtlich des voluminösen Installationsaufwandes einen spezifisch geringen Leistungsausstoß aufweisen, einen offenen Stoffkreislauf haben und wetterabhängig arbeiten; s. z.B. das 50 kW-Aufwindkraftwerk bei Manzanares in Südspanien, was 1998 nach starker Sturmschädigung wieder demontiert wurde.The disadvantage of the solar thermal power plants that they're comparatively large Need installation areas, regarding the voluminous Installation expenditure have a specifically low power output, have an open material cycle and work depending on the weather; s. e.g. the 50 kW upwind power plant near Manzanares in southern Spain, which was stronger after 1998 storm damage was dismantled again.
In der Patentschrift
Ein weiteres Prinzip eines Aufwindkraftwerks
wird in dem
In der
Nachteilig bei diesen Lösungen zur Energiegewinnung über witterungsunabhängige Wärmereservoirs ist, dass das Prinzip der Aufwindkraftanlagen nur relativ geringe Leistungen aus den zirkulierenden Stoffströmen geringer exergetischer Energiestromdichte extrahieren kann und dass einphasig zirkulierende Wärmeträgermedien als Wärmeenergietransporteur nur dann für eine effiziente Nutzung hinreichend hohe Exergien übertragen können, wenn die Temperaturunterschiede zwischen Wärmesenke und -quelle hinreichend groß sind. Bei geringen Temperaturunterschieden, beispielsweise unter 70°C, ist deren exergetischer Wirkungsgrad im Vergleich zum anlagentechnischen Aufwand unverhältnismäßig klein.A disadvantage of these solutions for Energy generation via weather-independent Is heat reservoirs, that the principle of the wind turbines only relatively low power from the circulating material flows can extract low exergetic energy current density and that single-phase circulating heat transfer media as a heat energy transporter only for efficient use of sufficiently high exergies can, if the temperature differences between heat sink and source are sufficient are great. In the case of small temperature differences, for example below 70 ° C, is Exergetic efficiency in comparison to the plant engineering effort disproportionately small.
Thermisch initiierte und durch die Schwerkraft getriebene Konvektionsprozesse in geschlossenen Kreisläufen, bei denen das zirkulierende Medium Aggregatzustandsänderungen beziehungsweise im thermodynamischen Sinne Phasenumwandlungen erster Art durchläuft, zum Beispiel von flüssig zu gasförmig und zurück, beinhalten im Vergleich zu den reinen thermisch initiierten Schwerkraft-Flüssigkeitszirkulationsprozessen eine viel höhere exergetische Energiestromdichte im Zirkulationsstrom. Bei Auftreten oder gezielter Nutzung solcher Phasenumwandlungen kommt der Wirkungsgrad näher an den thermodynamisch bestmöglichen Wirkungsgrad, gekennzeichnet durch den Carnot-Prozess, heran. Die terrestrische Natur vollführt solche Prozesse im Wettergeschehen als offene Prozesse und im oberflächennahen Vulkanismus bisweilen als quasi-geschlossene Prozesse.Thermally initiated and by the Gravity-driven convection processes in closed circuits, at which the circulating medium changes in physical state or in thermodynamic sense undergoes phase transformations of the first kind to Example of liquid too gaseous and back, include in comparison to the pure thermally initiated gravity liquid circulation processes a much higher one exergetic energy flow density in the circulation flow. When it occurs or targeted use of such phase transformations comes the efficiency closer to the best possible thermodynamic efficiency, characterized by the Carnot process. The terrestrial Nature accomplished such processes in the weather as open processes and near the surface Volcanism sometimes as quasi-closed processes.
Das Auftreten vulkanisch gespeister Geysire ist eine spezielle Art ablaufender natürlicher Konvektionseffekte, oftmals verbunden mit Stofftransporten, bei dem das in tektonisch tiefere und heiße Zonen eindringende flüssige Wasser nach Wärmeenergieaufnahme in der Tiefe auch eine Phasenumwandlung von flüssig zu gasförmig durchläuft, um dann expandierend an die Erdoberfläche zu steigen, wo es seine Energie an die kühlere Umwelt abgibt, kondensiert und erneut in die Tiefe fließt – bisweilen können solche Prozessläufe als quasigeschlossen angesehen werden. Bei diesem natürlichen, stoffgebundenen Wärmeaustausch mit Phasenumwandlung wird eine wesentlich höhere exergetische Energiedichte erreicht als ohne Phasenumwandlung. Zusätzlich lassen sich die Geysir-Effekte in verschiedene Prozessgruppen einteilen. Allen gemeinsam ist, dass vornehmlich Wasser im heißen Gestein eine Aggregatszustandsänderung von flüssig zu gasförmig durchläuft. Aber der Weg, wie das flüssige Wasser in den Wärmetausch- und Phasenwandlungsprozess ein- und austritt, also entweder auf dem gleichen Weg, dann wirkt der Geysir diskontinuierlich pulsierend oder aber auf getrennten Wegen, wobei der Einlauf nicht identisch ist mit dem Austrittskanal, dann wirkt er nahezu kontinuierlich, offenbart einerseits Unterscheidungsmerkmale und andererseits gibt es Unterscheidungsmerkmale dadurch, wodurch das Wasser als Stoffstrom verdampft und bewegt wird, nämlich infolge eines Mitnahmeeffekts von vulkanisch entweichenden heißen Gasen oder nur durch reine wärmeleitende Erhitzungsprozesse. Das Arbeitsvermögen solcher Gas- und Flüssigkeitsströme ist so gewaltig, dass in geologisch geringen Zeiten gewaltige Mineralmassen über große Höhenunterschiede transportiert und separiert werden.The occurrence of volcanically fed geysers is a special type of natural convection effect, often associated with mass transport, in which the liquid water penetrating into tectonically deeper and hot zones also undergoes a phase change from liquid to gaseous in the depth after thermal energy absorption, and then expands to the earth's surface to rise where it releases its energy to the cooler environment, condenses and flows down again - sometimes such process runs can be considered quasi-closed. With this natural, substance-bound heat exchange with phase change, a significantly higher exergetic energy density is achieved than without phase change. In addition, the geyser effects can be divided into different process groups. What they all have in common is that primarily water in hot rock undergoes a change in the state of matter from liquid to gaseous. But the way in which the liquid water enters and exits the heat exchange and phase change process, i.e. either in the same way, then the geyser acts discontinuously pulsating or on separate paths, whereby the inlet is not identical to the outlet channel, then acts he almost con Continuous, reveals distinguishing features on the one hand and on the other hand there are distinguishing features in that the water is evaporated and moved as a material flow, namely as a result of the entrainment effect of volcanically escaping hot gases or only through pure heat-conducting heating processes. The working capacity of such gas and liquid flows is so enormous that enormous mineral masses can be transported and separated over great height differences in geologically short times.
Dieses natürliche Wirken wurde durch die menschliche Tätigkeit versucht wertschöpfend auszunutzen und technisch umzusetzen.This natural work was made possible by the human activity tries to add value exploit and implement technically.
So wird beispielsweise in der
Ein gleiches Prinzip ist in
Nachteilig bezüglich einer effizient praktischen Verwertung ist bei diesen Vorrichtungen, dass sie einerseits nur sehr witterungsabhängig arbeiten können, beispielsweise beim Ausnutzen von winterlichen Temperaturniveauunterschieden zwischen flüssigem kalten Wasser und frostiger Atmosphäre oder den maritimen Temperaturunterschieden größerer Wassertiefen und Küstenflächenbereichen oder eben nur in Dauerfrostregionen einsetzbar sind und andererseits keinerlei verfahrenstechnische Merkmale einer thermodynamischen Kreisprozessoptimierung aufweisen, um eben dem Carnot'schen Wirkungsgrad möglichst nahe zu kommen.Disadvantageous in terms of efficient practical Recovery with these devices is that on the one hand they only very weather dependent can work, for example when taking advantage of winter temperature level differences between liquid cold water and frosty atmosphere or the maritime temperature differences deeper water and coastal areas or can only be used in permafrost regions and on the other hand no procedural features of a thermodynamic cycle optimization to have the Carnot efficiency as possible to get close.
Bei der energetischen Nutzung von thermischen Potentialen mit geringen Temperaturunterschieden, wie sie auch bei der Flachgeothermie vorliegen, wurden bisher konventionelle Wärmetauscher und Wärmepumpenanlagen eingesetzt.With the energetic use of thermal potentials with small temperature differences, such as they also exist in flat geothermal energy have been conventional so far heat exchangers and heat pump systems used.
Nachteilig bei diesen Verfahren ist, dass sie zur Sicherung der geothermalen Energieausbeutung permanent Hilfsenergie in Form der hochwertigsten Energieform, z.B. elektrischen Strom, benötigen.The disadvantage of these methods is that that they are permanent to ensure geothermal energy exploitation Auxiliary energy in the form of the highest quality form of energy, e.g. electrical Electricity, need.
In jüngster Zeit wurden zur energetischen Ausbeutung von thermischen Potentialen relativ geringer Temperaturunterschiede, die unterhalb des Siedepunktes von Wasser liegen, spezielle ORC-Prozesse (Organic-Rankine-Circle, bzw. frei übersetzt "Organischer Kreisprozess nach Rankine") entwickelt; s. z.B. Fachvortrag zu ORC-Technik; F. Eckert von Gesellschaft für Energietechnik mbH, 25. Juli 2000. Dies sind Kreisprozesse, die mit Verdichtern, Gasturbinen oder Gasmotoren (auch Stirlingmotore), Verdampfern, Kondensatoren und Regeneratoren arbeiten und neben der Nutzwärmelieferung auch einen Teil des auszubeutenden thermischen Potentials verstromen können. Dabei kommen als Arbeitsmedium bzw. Übertragermedium verfahrenstechnisch zweckmäßig gewählte Fluide definierter Siedepunkte und Dampfdrücke zum Einsatz. Die bekanntesten sind beispielsweise Wasser, Ammoniak, FCKW's oder organische Flüssiggase und Leichtbenzine wie Isopentan.Recently, have become energetic Exploitation of thermal potentials of relatively small temperature differences, which are below the boiling point of water, special ORC processes (Organic Rankine Circle, or freely translated "Organic cycle according to Rankine") developed; s. e.g. lecture to ORC technology; F. Eckert from Gesellschaft für Energietechnik mbH, July 25th 2000. These are cycle processes using compressors, gas turbines or gas engines (also Stirling engines), evaporators, condensers and Regenerators work and in addition to the supply of useful heat also a part of the thermal potential to be exploited. there come as working medium or transmission medium Fluids which are expediently chosen in terms of process technology defined boiling points and vapor pressures. The most popular are, for example, water, ammonia, CFCs or organic liquid gases and mineral spirits such as isopentane.
Die Nachteile der klassischen ORC-Verfahren z.B. zur Nutzung bei Geothermalkraftwerken bestehen darin, dass zur thermodynamischen Realisierung des energetischen Ausbeutungsprozesses ein beträchtlicher Maschinenpark bei gleichzeitigem Verbrauch eines Teils des erzeugten Stroms oder gleichwertiger Energieformen arbeiten muss und dass dieser Aufwand bei abnehmenden Temperaturunterschieden, z.B. unterhalb von 70°C, immer weiter zunimmt.The disadvantages of classic ORC processes e.g. for use in geothermal power plants are that for the thermodynamic realization of the energetic exploitation process a considerable machine park with simultaneous consumption of part of the electricity generated or equivalent forms of energy must work and that this effort with decreasing temperature differences, e.g. below 70 ° C, always continues to increase.
Bei klassischen ORC-Verfahren zur Nutzung bei Geothermalkraftwerken wird der Mechanismus des Wärmetransports aus dem Bohrloch und der Energiegewinnung getrennt realisiert (was bedeutet, dass es primäre und sekundäre Kreisläufe gibt) meist auch mit unterschiedlichen Arbeitsmedien, die insbesondere bei niedriger Temperatur des Wärmeträgers riesige Volumenströme und Wärmetauscher benötigen.In classic ORC processes for The mechanism of heat transport is used in geothermal power plants realized separately from the borehole and the energy production (what means it's primary and secondary cycles there) mostly with different working media, in particular huge at low temperature of the heat transfer medium flow rates and heat exchangers need.
Die natürliche Konvektion wird dabei zur direkten Energieauskopplung nicht genutzt, gelegentlich zum Wärmetransport, aber ohne thermodynamische Optimierung.The natural convection is thereby not used for direct energy extraction, occasionally for heat transport, but without thermodynamic optimization.
Gegenwärtig trifft noch zu, dass die klassischen ORC-Techniken unabhängig von der Bohrlochgeometrie ausgelegt sind und den Bauraum untertags nicht voll nutzen.It is currently still true that the classical ORC techniques independently of the borehole geometry and the installation space during the day do not use fully.
Beim ORC-Verfahren wird die Energie ausschließlich vom Gas ausgekoppelt, bei Einsatz von Turbinen sollte dieses Gas auch keine Tröpfchen oder Partikel enthalten, um die Lebensdauer der Turbine nicht stark zu begrenzen. Um Auskondensation zu vermeiden, wird das Gas deshalb überhitzt, was wiederum eine Verringerung des thermodynamischen Wirkungsgrades bedeutet.In the ORC process, the energy is extracted exclusively from the gas; when using turbines, this gas should not contain any droplets or particles, in order not to limit the life of the turbine to a great extent. In order to avoid condensation, the gas is therefore overheated, which in turn is a Reduction in thermodynamic efficiency means.
Gase besitzen natürlicher Weise eine geringere Dichte als Flüssigkeiten und dies bedingt bei gleichem spezifischen Energiegehalt entsprechend größere Baugrößen.Gases are naturally lower Density than liquids and this requires accordingly with the same specific energy content larger sizes.
Ein Energieübertragungsprinzip, welches ein zweikomponentiges Stoffgemisch, vorzugsweise bestehend aus Ammoniak und Wasser in einem geschlossenen Wärmetausch- und Übertragerprozess verwendet, wird von EXERGY-Gesellschaft publiziert, dass unter anderem unter dem Namen Kalina-Prozess bekannt ist.An energy transfer principle, which a two-component mixture, preferably consisting of ammonia and water in a closed heat exchange and transfer process used by EXERGY company publishes that among other things known under the name Kalina process is.
Bei dieser Prozessführung wird im Gegensatz zum ORC-Verfahren, wo im Zirkulationssystem einkomponentige Fluide umlaufend gepumpt werden, ein Zweikomponentengemisch als Wärmeträgermedium eingesetzt. Die leichtflüchtigere Komponente, hierbei Ammoniak, geht im Vergleich zu Wasser bei niedrigeren Temperaturen in die Gasphase über. Im Vergleich zum ORC-Verfahren ist es bei Verwendung dieses Zweistoffgemisches als Arbeitsmedium möglich, günstigere Wärmeübertragungsverhältnisse bei Verdampfung und Kondensation und damit einen höheren Wirkungsgrad bei der Energiegewinnung zu erzielen. Inzwischen existieren in den USA und auf Island erste Anlagen, die nach dem Kalina-Verfahren arbeiten und an die Belange der Geothermie angepasst worden sind. Diese erbringen, indem sie "aus weniger Wärme mehr Strom produzieren" höhere Wirkungsgrade, als die in der Geothermie arbeitenden ORC-Anlagen.With this litigation in contrast to the ORC process, where one-component in the circulation system Pumping fluids around, a two-component mixture as Heat transfer medium used. The more volatile Component, in this case ammonia, is lower in comparison to water Temperatures in the gas phase above. Compared to the ORC process it is when using this two-substance mixture as the working medium possible, favorable Heat transfer conditions with evaporation and condensation and thus a higher efficiency to achieve in energy production. Meanwhile exist in the USA and Iceland's first plants using the Kalina process work and have been adapted to the needs of geothermal energy. This is achieved by "producing more electricity from less heat" higher Efficiency than the ORC plants working in geothermal energy.
Nachteilig bei diesen Verfahren ist, dass das zweikomponentige Arbeitsmedium durch fremdenergiegespeiste Maschinen, analog dem ORC-Verfahren, als Wärmeträger- und -Tauschermedium bewegt wird. Ferner wird nicht die natürliche Konvektion des strömenden Fluids zur direkten Energieauskopplung genutzt. Eine Arbeitsmaschine zur Energieauskopplung ist bei diesem Verfahren nicht an beliebigen Orten des zirkulierenden Wärmetransportmediums einsetzbar.The disadvantage of these methods is that that the two-component working medium is powered by external energy Machines, analogous to the ORC process, are used as heat transfer and exchange media becomes. Furthermore, not the natural Convection of the pouring Fluids used for direct energy extraction. A work machine to extract energy in this process is not arbitrary Locating the circulating heat transfer medium used.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die eingangs genannten Verfahren und die dazugehörige Vorrichtung dadurch zu verbessern, dass eine total autarke Energiegewinnung auch bei geringen Temperaturunterschieden möglich ist und das Verfahren effizient mit einer Vorrichtung durchführbar ist, die mit einem geringen Kostenaufwand herstellbar und betreibbar ist.Object of the present invention is therefore the method mentioned at the beginning and the associated device by improving that totally self-sufficient energy generation even with small temperature differences is possible and the process can be carried out efficiently with a device with a low Costs can be produced and operated.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1; 2 und 3 sowie dem
Vorrichtungsanspruch
Mit diesem Verfahren und dem vorgeschlagenen Konvektionsgenerator als Vorrichtung werden beispielsweise bei der Erdwärmeausbeutung die Potentialdifferenzen von Fluiden unterschiedlicher Temperatur und Dichte im Schwerefeld der Erde beziehungsweise die dadurch verursachten Druckunterschiede zur Realisierung von thermodynamischen Kreisprozessen genutzt.With this procedure and the proposed one Convection generator as a device, for example, in the geothermal exploitation the potential differences of fluids of different temperatures and Density in the gravitational field of the earth or the pressure differences caused thereby used to implement thermodynamic cycle processes.
Durch den strömungstechnisch geschlossenen Fluidkreislauf im Konvektions-Generator und unter der Nutzung definierter thermodynamischer Prozessabläufe während des Transports von Wärmeenergie von einem Ort höheren zu einem Ort niederen Temperaturniveaus wird Exergie in Form von mechanischer oder vorzugsweise elektrischer Energie freigesetzt, wobei eine energetische Ausbeute beliebiger Temperaturniveau-Unterschiede möglich ist – auch relativ geringe, die unterhalb des Siedepunkts von Wasser unter Normalbedingungen liegen.Due to the fluidically closed Fluid circuit in the convection generator and using defined thermodynamic processes during the Transport of thermal energy from a higher place Exergy becomes a place of low temperature levels in the form of mechanical or preferably electrical energy is released, with an energetic yield of any temperature level differences possible is - too relatively low that below the boiling point of water below Normal conditions.
Auf diese Weise entsteht zwischen zwei kommunizierenden hydromechanischen Leitungssträngen, im einfachsten Fall eine senkrecht orientierte, ringförmig geschlossene Rohranordnung, die mit Fluiden wie Flüssigkeiten, Gasen, Mehrphasengemischen unterschiedlicher Temperatur gefüllt sind und deren Rohrleitungssegmente in definiertem thermischen beziehungsweise wärmeenergetischen Kontakt zur Umgebung stehen, so dass durch die thermisch verursachte unterschiedliche Dichte ein Druckgefälle hervorrufen wird, eine Konvektionsbewegung, die zur Energieauskopplung genutzt wird.This creates between two communicating hydromechanical lines, in the simplest In the case of a vertically oriented, annularly closed tube arrangement, with fluids like liquids, Gases, multi-phase mixtures of different temperatures are filled and their pipe segments in defined thermal respectively heat energy Contact with the environment, so that caused by the thermal different density will cause a pressure drop, a Convection movement that is used to extract energy.
Die Energieauskopplung kann sowohl im aufsteigenden Bereich wie im abwärts strömenden Bereich der Konvektionsströmung erfolgen, das heißt sowohl im Gasbereich als auch im Flüssigkeitsbereich eines Konvektionsgenerators mit Phasenwechsel. Die Auskopplung im Flüssigkeitsbereich bedeutet hohe Leistungsdichten, die auch bei geringem Temperaturunterschied zwischen Wärmereservoir und Wärmesenke beziehungsweise geringem Exergiegehalt kleine Baugrößen für die Arbeitsmaschine zur Energieauskopplung (beispielsweise eine Flüssigkeitsturbine) ermöglicht. So ist die Exergiegewinnung durch Umwandlung in potentielle Energie bis zu geringsten Temperaturunterschieden möglich.The extraction of energy can both in the ascending area as in the downward flowing area of the convection flow, this means both in the gas area and in the liquid area of a convection generator with phase change. The decoupling in the liquid area means high Power densities, even at low temperature differences between heat reservoir and heat sink or low exergy content small sizes for the machine for energy extraction (for example a liquid turbine). This is how exergy is obtained by converting it into potential energy down to the slightest temperature difference possible.
Die Konvektion kann thermodynamisch optimal genutzt werden, dies besonders beim Konvektionsgenerator mit Phasenwechsel. Es besteht keine Trennung von Wärmetransportvorgang und Energieauskopplung, das heißt, die Leitungen z.B. innerhalb einer Geothermalbohrung können unmittelbar zur Exergieauskopplung genutzt werden.Convection can be thermodynamic can be used optimally, especially with the convection generator with phase change. There is no separation of the heat transfer process and energy extraction, that is, the lines e.g. within a geothermal well can immediately can be used to extract energy.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung des Konvektionsgenerators und das Verfahren zur Durchführung der konvektiven Energiegewinnung bezeichnet eine Wärmekraftmaschine zur Exergiegewinnung (zum Beispiel elektrischer Strom) aus Wärmereservoirs, die eine geringe Temperaturdifferenz untereinander aufweisen, wie sie typischerweise bei der Nutzung von Geothermalenergie oder der Verwertung von Restwärme vorliegen. Beim Konvektionsgenerator werden die Potenzialdifferenzen im Schwerefeld beziehungsweise die dadurch verursachten Druckunterschiede zur Realisierung von thermodynamischen Kreisprozessen genutzt.The device of the convection generator according to the invention and the procedure for performing the convective energy production refers to a heat engine for exergy production (for example, electrical current) from heat reservoirs that are low Have temperature difference between them, as they typically when using geothermal energy or utilizing residual heat. With the convection generator, the potential differences in the gravitational field or the resulting pressure differences for implementation used by thermodynamic cycle processes.
So entsteht beispielsweise zwischen zwei kommunizierenden Röhren, die mit Fluiden unterschiedlicher Temperatur gefüllt sind durch die unterschiedliche Dichte ein Druckgefälle, dass zu einer Konvektionsbewegung führt und zur Leistungsauskopplung genutzt wird.For example, between two communicating tubes, which are filled with fluids of different temperatures due to the different Density a pressure drop, that leads to a convection movement and to the decoupling of power is being used.
Damit der Prozess der konvektiven Fluidzirkulation verlustarm abläuft, ist das hydromechanische Leitungsstrangsystem überwiegend in senkrechter Ausdehnung angelegt und im kalten Gebiet, der Wärmesenke und im warmen Bereich, der Wärmequelle, in der Funktionalität eines Wärmetauschers ausgelegt.So that the process of convective Fluid circulation is low loss, the hydromechanical wiring harness system is predominantly vertical laid out and in the cold area, the heat sink and in the warm area, the heat source, in functionality a heat exchanger designed.
Die Realisierung des Kreisprozesses beim Konvektionsgenerator lässt sich in zwei grundsätzliche Fälle unterscheiden, den Kreisprozess ohne Phasen beziehungsweise Aggregatzustandswechsel und den Kreisprozess mit Phasenwechsel.The realization of the cycle with the convection generator itself in two basic Distinguish cases the cyclic process without phases or physical state change and the cycle with phase change.
Damit der konvektive Strömungsprozess
thermisch effizient erfolgt, steht das durch die Leitungsstränge strömende Wärmeträgermedium
mit der Umgebung durch örtlich
definiert stattfindende Wärmetausch-
oder -Übertragungsprozesse
oder durch Einschränkung
dieser in thermischer Verbindung. Dem Wärmeträgermedienstrom wird dadurch
eine Vorzugs-Strömungsrichtung
aufgeprägt.
Eine vollständige
thermische Isolierung der aufwärtsführenden
Leitungsstränge,
wie sie beispielsweise in
Betreffs Einschränkung oder Unterbindung der Wärmeübertragung an das Wärmeträgermedium heißt das für den geothermalen Anwendungsfall im Bohrloch, dass das aus der Wärmesenke kommende und abwärtsführende Leitungssystemsegment erst ab der Tiefe thermisch gegen einfließende Umgebungswärmeenergie isoliert werden muss, wo die Umgebungstemperatur die des abwärtsströmenden und in Phasenumwandlung oder statisch in Kompression befindlichen Wärmeträgermediums übertrifft. Und dann auch nur dann, wenn das abwärtsströmende Medium ohne Wärmeisolation im Abwärtsstrang zum strömungsbehindernden Sieden übergehen würde. Das aufwärtsführende Leitungssystemsegment kann eine thermische Isolation besitzen, dessen örtliche Ausdehnung entlang der Leitung sich nach der thermodynamischen Prozessführung des im Aufwärtsstrang nach oben strömenden Arbeits- beziehungsweise Wärmeträgermediums richtet. Im einfachsten Fall beginnt die thermische Isolation dort, wo die Temperatur des konvektiv-gravimetrisch aufsteigenden Arbeitsmediums die der Umgebung überschreitet und verläuft soweit nach oben, wie es für die Sicherung des Aufstiegsprozesses und der thermodynamischen Aufstiegs- oder Hubprozedur zweckmäßig ist.Regarding restriction or prohibition of the heat transfer to the heat transfer medium does that mean for the geothermal use case in the borehole that that from the heat sink coming and going down pipe system segment only thermally against deep ambient heat energy from the depth must be isolated where the ambient temperature is that of the downward flowing and in phase change or static heat transfer medium in compression. And then only if the downward flowing medium without thermal insulation in the downward strand switch to flow-restricting boiling would. The upward line system segment can have thermal insulation along its local extent after the thermodynamic process control of the in the upward line flowing upwards Working or heat transfer medium directed. In the simplest case, thermal insulation begins there where the temperature of the convective-gravimetric working medium that exceeds the environment and runs as far up as it is for securing the ascent process and the thermodynamic ascent or lifting procedure is appropriate.
Um zu erklären, wie die Länge und der Verlauf der thermischen Isolation im Aufwärtsstrang mit der thermodynamischen Prozessführung korreliert ist, sei folgendes Beispiel aufgeführt: Ist zum Beispiel der Konvektionsgenerator so ausgelegt, dass im Bereich der Wärmequelle das strömende Arbeitsmedium einer isothermen Aggregatszustandsänderung unterliegt, die sich ab der Strömungs-Position einer im Wärmequellengebiet installierten Arbeitsmaschine zur Energieauskopplung in Richtung Aufstieg nach oben ereignet, so wird aus Gründen der thermodynamischen Prozessoptimierung der weitere expansive Aufstieg des verdampfenden oder bereits vollständig verdampften Arbeitsmediums isotherm geführt und zwar solange, nötigenfalls mit Nachreichung von beispielsweise konvektiv herangeführter Wärmeenergie aus dem Gebiet der Wärmequelle, bis eine adiabatische Expansion während des restlichen Aufstiegs das Arbeitsmediums mit Erreichen des Aufstiegsendbereiches das Medium sicher auf ein solches Temperaturniveau überführt, bei dem dann in der Wärmesenke ohne Temperaturabsenkung nur noch die Kondensation und deren Wärmeabfuhr durchzuführen ist. In diesem Falle ist am Aufstiegsstrang keine thermische Isolation erforderlich. Je nach Tiefe der Konvektionsgeneratoranlage und der geometrischen sowie thermodynamischen Auslegung kann es beispielsweise notwendig sein, dass zwischen den Bereichen der im letzten Beispiel beschriebenen isothermen Phasenumwandlung beziehungsweise des isothermen expansiven Aufstiegs des Arbeitsmediums und der einzuleitenden adiabatischen (isentropen) Restentspannung eine thermische Leitungssystemisolation erforderlich ist.To explain how the length and the course of the thermal insulation in the upstream with the thermodynamic Litigation The following example is correlated: For example, is the convection generator designed so that the flowing working medium in the area of the heat source undergoes an isothermal change in state of matter, which changes from the flow position one in the heat source area installed work machine for energy extraction in the direction Ascent to the top occurs for reasons of thermodynamic Process optimization of the further expansive rise of the evaporating or already complete evaporated working medium isothermally and as long as necessary with subsequent supply of, for example, convective heat energy from the area of the heat source, until an adiabatic expansion during of the remaining ascent, the working medium when reaching the ascent end area the medium is safely transferred to such a temperature level then in the heat sink only the condensation and its heat dissipation without lowering the temperature perform is. In this case there is no thermal insulation on the ascent string required. Depending on the depth of the convection generator system and the Geometrical and thermodynamic design, for example be necessary between the areas of the last example described isothermal phase transformation or isothermal expansive rise of the working medium and the adiabatic to be initiated (isentropic) residual relaxation a thermal pipe system insulation is required.
Zusammenfassend gesagt, ob, wie und in welcher Ausdehnung an den abwärts- und aufwärtsführenden Leitungssystemen thermische Isolationen zweckmäßig vorhanden sein sollen, das richtet sich nach der Art der thermodynamischen Prozessführung und nach den geometrischen und thermischen Auslegungsgrößen sowie nach den geothermal anzutreffenden Situationen.In summary, whether, how and in what extent to the downward and upward leading Pipe systems thermal insulation should be available, that depends on the type of thermodynamic process control and according to the geometric and thermal design sizes as well according to the geothermally encountered situations.
Der Konvektionsgenerator kann als Wärmekraftmaschine auch in einem entsprechendem Gebäude untergebracht werden und die Wärmequelle sowie – senke werden durch entsprechende Fluidkreisläufe realisiert.The convection generator can be used as Heat engine also housed in a corresponding building be and the heat source as well - sink are realized through appropriate fluid circuits.
Beim Kreisprozess ohne Phasenwechsel strömt beispielsweise ein Fluid nach oder während der Wärmeabgabe am kalten Wärmereservoir kalt durch ein Rohrsystem nach unten, wird dann erwärmt und steigt nach oder während der Wärmeaufnahme warm nach oben. Das wärmere Fluid besitzt in der Regel eine geringere Dichte, daraus ergibt sich im Schwerefeld über den Höhenunterschied ein Druckunterschied, der die Konvektionsbewegung aufrechterhält, der aber auch zur Energieauskopplung zum Beispiel durch Turbinen genutzt werden kann.In the cycle without phase change flows for example, a fluid after or during the heat emission at the cold heat reservoir cold down through a pipe system, is then heated and rises after or during the heat absorption warm up. The warmer Fluid usually has a lower density over in the gravity field the height difference a pressure differential that maintains the convection movement that but can also be used to extract energy from turbines, for example can.
Es gibt Fluide, die in bestimmten Temperaturbereichen bei Erwärmung ihre Dichte erhöhen; bekanntestes Beispiel ist Wasser bei Normaldruck zwischen 0°C und 4°C. Wenn bei Verwendung eines solchen Fluids dieses seine Dichte bei Erwärmen erhöht, ist zur Energiegewinnung sinngemäß die Wärmequelle und die Wärmesenke in ihrer Position am aufsteigenden und absteigenden Fluidstrom zu vertauschen.There are fluids in certain Temperature ranges when heated increase their density; The best-known example is water at normal pressure between 0 ° C and 4 ° C. If at Using such a fluid this increases its density when heated the heat source for energy generation and the heat sink in their position on the ascending and descending fluid flow exchange.
Beim Kreisprozess ohne Phasenumwandlung kann die Energieauskopplung, die einen Druckabfall bewirkt, an einem beliebigen Ort im Kreislauf erfolgen.In the cyclic process without phase change the extraction of energy, which causes a pressure drop, on one anywhere in the cycle.
Jedoch lassen sich in der Praxis aus derartigen einphasig konvektiv zirkulierenden Kreisprozessen nicht alle thermodynamisch möglichen, mechanischen Energieinhalte des strömenden Wärmeträger- und – Transportmediums auskoppeln, wie es frühere und teilweise oben zitierte Erfindungsbeschreibungen vermuten lassen könnten. Eine solche Anlagenkonzeption würde den zirkulierenden Kreisprozess zum Erliegen bringen oder ineffizient arbeiten lassen.However, in practice not from such single-phase convective circulating cycles all thermodynamically possible decouple mechanical energy content of the flowing heat transfer and transport medium, like earlier and some of the descriptions of the invention cited above suggest could. Such a system design would bring the circulating cycle to a standstill or inefficiently let work.
Einem strömenden Arbeitsmedium eines
Konvektionsgenerators, der ohne Phasenumwandlungsprozesse arbeitet,
kann nur soviel kinetische Energie beziehungsweise Exergie pro Zeit
entnommen werden, so dass der verbleibende Zirkulationsstrom noch
stabil wirken kann. Es existiert diesbezüglich ein Optimum. Eine diese
Verhältnisse
charakterisierende Relation lässt
sich für
einen einheitlichen Rohrdurchmesser aufschreiben, indem summarisch
die einzelnen Druckabfallwirkprozesse, die während eines vollen Zirkulationsumlaufs auf
das strömende
Wärmeträgermedium
durch das Rohrleitungssystem wirken, erfasst werden. Dabei ist natürlich der
Druckabfall über
die installierte Turbine oder Arbeitsmaschine ebenfalls zu berücksichtigen.
Hierbei bezeichnet der erste Term die durch die thermisch verursachten Dichteunterschiede wirkende schwerkraftverursachte Druckdifferenz über die senkrechte Anlagenausdehnung, der zweite Term beinhaltet den dissipativen Druckabfall, der aus den Reibungs- und damit Verlustprozessen der durch die Rohre strömenden Flüssigkeit resultiert und der dritte Term stellt den über die Arbeitsmaschine zur Energieauskopplung wirkenden Druckabfall dar.The first term here caused the gravity caused by the thermally caused density differences Pressure difference over the vertical extension of the system, the second term includes the dissipative pressure drop resulting from the friction and thus loss processes the flowing through the pipes liquid results and the third term provides the over the machine Decoupling of energy acting pressure drop.
Unter Berücksichtigung, dass die Volumenströme multipliziert mit den jeweiligen Druckabfallthermen die Leistungsgrößen des Kreisprozesses liefern, kann für die maximal aus dem Strömungsprozess extrahierbare exergetische Leistung die Relation aufgeschrieben werden.Taking into account that the volume flows multiplied by the respective pressure drop heaters deliver the performance quantities of the cycle, the relation can be made for the maximum exergetic performance extractable from the flow process to be written down.
vmax stellt die maximal im System (ohne ausgekoppelte mechanische Nutzleistung) erreichbare, mittlere Strömungsgeschwindigkeit dar. gibt den Massestrom im Kreislaufsystem an. Der Massenstrom ist gleich dem Produkt aus Volumenstrom und Dichte des Fluids. Unabhängig von den thermodynamischen Zustandsbedingungen und der geometrischen Auslegung der Konvektionskreislaufanlage besteht zwischen der Geschwindigkeit der fließenden Massepartikel, die entsprechend des Energiesatzes exergetisch erfassbar genutzt werden kann und der maximal im System erreichbaren mittleren Strömungsgeschwindigkeit der Zusammenhang v max represents the maximum achievable average flow velocity in the system (without decoupled mechanical useful power). indicates the mass flow in the circulatory system. The mass flow is equal to the product of the volume flow and the density of the fluid. Regardless of the thermodynamic conditions and the geometric design of the convection circulation system, there is a connection between the speed of the flowing mass particles, which can be used in accordance with the energy set, and the maximum average flow speed that can be achieved in the system
Diese Relationen sind gültig, solange die Anlage nicht in den physikalisch nichtlinearen Bereich hinein betrieben wird und solange keine Aggregatszustandsänderungen im zirkulierenden Wärmeträgermedium des Konvektionsgenerators stattfinden.These relations are valid as long as the system is not operated in the physically non-linear range as long as there are no changes in the aggregate state in the circulating Heat transfer medium of the convection generator take place.
Für jeden thermodynamischen Kreisprozess lässt sich der Wirkungsgrad der Exergiegewinnung steigern, wenn es gelingt, die Wärmeabgabe und Wärmeaufnahme in den Gebieten der Wärmesenke und Wärmequelle mit möglichst gegen Null gehender Temperaturdifferenz zu gewährleisten. Der beste Fall tritt ein, wenn diese Temperaturdifferenz Null ist. Praktisch ist dies machbar, indem das Medium, beispielsweise bei Kompression oder Dekompression den Temperaturwechsel vollziehen kann. Diese Bedingung lässt sich beim Kreisprozess ohne Phasenwechsel nur schwer erreichen. Beim Kreisprozess mit Phasenwechsel (zum Beispiel flüssig-gasförmig) lässt sich dieser Idealzustand besser erreichen. Deshalb lässt sich beim Konvektionsgenerator mit Phasenwechsel ein besserer thermodynamischer Wirkungsgrad erreichen.For the efficiency of each thermodynamic cycle Exergy generation, if it succeeds, increase the heat output and heat absorption in the areas of the heat sink and heat source with if possible to ensure zero temperature difference. The best case occurs on when this temperature difference is zero. This is practical feasible by using the medium, for example in compression or decompression can carry out the temperature change. This condition can be difficult to achieve in the cycle without a phase change. At the Cyclic process with phase change (for example liquid-gaseous) can be this ideal state achieve better. Therefore leaves the convection generator with phase change has a better thermodynamic Achieve efficiency.
Beim Kreisprozess des Konvektionsgenerators mit Phasenwechsel wird beispielsweise im aufsteigenden Fluidstrom, in dem der Druck mit der Höhe sinkt, während des Aufstiegs entsprechend der thermodynamischen Eigenschaften des Fluids (wie Siedepunkt und Dampfdruck) der Phasenwechsel vollzogen. Das Medium wechselt seine Dichte und übt im Vergleich zum Abstiegsleitungsstrang eine wesentlich geringere statische Druckkraft auf den anlagentiefsten Bereich aus.In the cycle of the convection generator with phase change, for example, the phase change takes place in the ascending fluid flow, in which the pressure decreases with the height, during the ascent in accordance with the thermodynamic properties of the fluid (such as boiling point and vapor pressure). The me dium changes its density and, compared to the descent pipeline, exerts a significantly lower static pressure on the area deepest in the system.
Während der Phasenumwandlung kann zusätzlich isotherm Wärme von der Wärmequelle an das verdampfende Fluid abgegeben werden bis das Medium ganz oder teilweise den Phasenwechsel vollzogen hat.While the phase change can additionally isothermal heat from the heat source are released to the evaporating fluid until the medium is completely or partially completed the phase change.
Der Kreisprozess mit Phasenwechsel lässt an jeder Stelle der Zirkulationsprozessführung die Installation einer Arbeitsmaschine zur Energieauskopplung beziehungsweise eine Exergieauskopplung zu. Zum Beispiel im Bereich der Aufstiegs-Gasphase über eine Turbine, die das Gas bis auf den Dampfdruck, der der Temperatur der Wärmesenke entspricht, entspannt.The cycle with phase change starts the installation of a Working machine for energy extraction or an exergy extraction to. For example in the area of the ascent gas phase over a Turbine that takes the gas down to the vapor pressure, the temperature the heat sink corresponds, relaxed.
Viele Arbeitsmaschinen oder Gasturbinenarten sind anfällig gegen auskondensierende Tröpfchen, deshalb kann das Gas, anstatt überhitzt zu werden, vor der Turbine isotherm weiter im Schwerefeld entspannt werden, indem es über eine entsprechende Höhendifferenz aufsteigt. Dann wird Hubarbeit verrichtet, die auf der absteigenden Seite der Fluidströmung mit Arbeitsmaschinen zur Energieauskopplung, wie beispielsweise Flüssigkeitsturbinen, als Exergie auskoppelbar ist.Many machines or types of gas turbines are vulnerable against condensing droplets, therefore can the gas instead of overheating to be relaxed isothermally in front of the turbine in the gravitational field, by going over it a corresponding height difference rises. Then work is done on the descending Side of fluid flow with machines for extracting energy, such as liquid turbines, can be coupled out as an exergy.
Weiterhin kann das Gas, anstelle
eine Turbine zu durchlaufen, beim Aufstieg adiabatisch im Schwerefeld
so entspannt werden, dass es bei Erreichen des Aufstiegsendpunktes
den Dampfdruck, der der Temperatur der Wärmesenke entspricht, erreicht.
Die gesamte Exergieauskopplung erfolgt in der flüssigen Phase entweder im absteigenden
oder im aufsteigenden Teil der Strömung oder aber an einer Position
des Leitungsstranges, die innerhalb des Wärmequellgebietes liegt. Letzteres
heißt
beispielsweise, die flüssige
Phase beginnt mit Eintritt in den Wärmetauscher der Wärmequellregion,
zumeist nach Beendigung des Abstiegs, aber noch vor Erreichen der
Arbeitsmaschine, Wärme
aufzunehmen. Aber infolge des hohen statischen Druckes im unteren
Leitungsbereich setzt kein Siedeprozess ein. Hat der Wärmeträgermedienstrom
auf seinem Weg durch die Wärmequellregion
genügend
Wärme aufgenommen,
trifft er auf eine im unteren Anlagenbereich installierte Vorrichtung,
die den statischen Druck reduziert. Der Ort der Druckreduzierung
ist zweckmäßigerweise identisch
mit einer dort im Kreisprozess installierten Arbeitsmaschine zur
Energieauskopplung. Die Druckreduzierung des gegen die Arbeitsmaschine
anstehenden flüssigen,
unter statischem Druck stehenden Wärmeträgermediums wird im Wärmeträgermedienstrom
durch den Prozess der Energieauskopplung vollzogen. In Flussrichtung
hinter der Arbeitsmaschine ist der statische Druck verringert. Das
aus der Maschine austretende Fluid beginnt sofort mit dem Wechsel
in den gasförmigen
Aggregatzustand. Dieser Wechsel von flüssig zu gasförmig findet
im Wärmequellgebiet
statt, so dass das aus der Arbeitsmaschine abströmende und in Phasenumwandlung
befindliche Medium insgesamt über
den restlichen Weg durch die Wärmetauscher
der Wärmequelle
isotherm geführt
vollständig
in die Dampfphase übergeht
und auf dem ebenfalls noch im Wärmequellgebiet
beginnenden Aufstiegsweg isotherm aufsteigend entspannt wird. (Es
sei bemerkt, dass bei diesem Beschreibungsfall des Verfahrensprozesses
der Wärmetauscher überwiegend
in waagerechtem Verlauf in der Wärmequellregion
angeordnet ist. Daher ist es zweckmäßig, dass das Wärmeträgermedium
bereits mit der Durchquerung der Arbeitsmaschine seine Temperatur
im Wärmetauscher
auf möglichst
anlagenmaximale Temperatur erhöht
hat, so dass es nach Verlassen der Arbeitsmaschine rückstaufrei
weiter isotherm verdampfend durch den restlichen Wärmetauscher
strömen
kann. Im senkrechten Anlagenfall, wie zum Beispiel in
Durch Abgriff dieser statischen Druckdifferenzen über eine zweckmäßig im Konvektionskreislauf installierte Arbeitsmaschine ist es möglich, ohne explizite Kompressions- und Strömungsantriebsarbeit aufwenden zu müssen, den höchstmöglich erzielbaren thermischen Wirkungsgrad einer Wärmekraftanlage zu erzielen. Im Vergleich zu allen bisher existierenden Verfahren und Vorrichtungen zur exergetischen Ausbeutung von Geothermalenergien kommt dieser Konvektionsgenerator dem Carnot'schen Wirkungsgrad am nächsten.By tapping these static pressure differences over a expedient in the convection circuit installed work machine, it is possible without explicit compression and flow drive work to have to spend the highest achievable thermal efficiency of a thermal power plant to achieve. Compared to all existing processes and devices for the exergetic exploitation of geothermal energy this convection generator comes to Carnot's efficiency the next.
Es ist aber auch möglich, ein mehrphasiges Gemisch zu entspannen, und zwar gerade in einem solchen Mengenverhältnis, dass sich beim Entspannen auf den Dampfdruck, der der Temperatur der Wärmesenke entspricht, sich die passende Temperatur, nämlich die der Wärmesenke, ergibt. Sinnvoll ist dabei die Entspannung adiabatisch über die Höhendifferenz und das Auskoppeln der Exergie im Strömungsbereich mit hoher Dichte, vorzugsweise im flüssigen Bereich, zu realisieren. Durch die Anwesenheit der zweiten, dichteren Phase beim Aufstieg, sind geringere Höhendifferenzen, über die die Entspannung erfolgt, realisierbar.But it is also possible to relax multiphase mixture, especially in one Ratio, that when relaxing the vapor pressure, the temperature the heat sink corresponds to the appropriate temperature, namely that of the heat sink, results. It makes sense to relax adiabatically via the height difference and decoupling the exergy in the high density flow area, preferably in the liquid area, to realize. Because of the presence of the second, denser phase when climbing, there are smaller height differences over which the relaxation takes place, realizable.
Als mehrphasige Gemische können dazu entweder eine nur zum Teil verdampfte Flüssigkeit, ein Gemisch einer Flüssigkeit mit einer anderen oder eine Flüssigkeit mit Feststoffpartikeln genutzt werden. Das heisst, das mehrphasige Gemisch kann auch Mehrstoffkomponenten enthalten.As multi-phase mixtures can do this either a partially evaporated liquid, a mixture of one liquid with another or a liquid be used with solid particles. That is, the multi-phase Mixture can also contain multi-component components.
Bei Nutzung von Mehrstoffgemischen im Zirkulationskreislauf macht es exergetisch nur Sinn, wenn diejenigen Stoffarten, die im geschlossenen thermodynamischen Kreisprozess keiner Phasen- oder Aggregatzustandsänderung unterliegen ebenfalls strömungstechnisch die Zirkulationswegstrecken durchlaufen. Auf jeden Fall aber müssen sie im Leitungsstrangsystem die Hub- und Absenkprozesse zusammen mit dem Arbeits- beziehungsweise Treibmedium durchlaufen. Die beispielsweise nicht- oder schwersiedenden Zusatzstoffe können beispielsweise vor der Kondensation der Arbeits- oder Treibmedien von diesen strömungstechnisch getrennt werden, um dann bei der Abwärtsbewegung diesen wieder beigemischt zu werden.When using multi-substance mixtures in the circulation cycle, it only makes sense exergetically if those types of material that do not undergo any change in phase or physical state in the closed thermodynamic cycle are also subject to the flow paths in terms of flow. In any case, they have to go through the lifting and lowering processes together with the working or propellant in the wiring harness system. The non-boiling or high-boiling additives, for example, can be separated from them in terms of flow technology before the condensation of the working or propellant media, in order to then be admixed again with the downward movement.
Wenn die mehrphasigen Wärmeträger-Stoffgemische im Kreisprozess, von denen mindestens eine Komponente als Arbeits- oder Treibmedium fungiert, die Phasenumwandlungen flüssig – gasförmig – flüssig durchläuft, in die Aufstiegsbewegung eintreten um die Aufstiegshubarbeit zu verrichten, darf die beigegebene, nichtverdampfte Wärmeträgerkomponente nicht aus dem Strömungsprozess ausfallen. Ein Mitnahmeeffekt kann durch verschiedene Maßnahmen erreicht werden. Beispielsweise ist eine Art Schaumbildung definierter Konsistenz möglich, so dass das gesamte Stoffgemisch die Aufwärtsphase durchläuft. Oder aber der Aufstiegsstrang ist in der Art eines parallelen Rohrbündelstranges ausgelegt, in den das teilweise verdampfende oder verdampfte Medium die zugegebenen Stoffe mit sich strömend hineinführt und der Hubarbeitsprozedur unterzieht. Die lichten Weiten der einzelnen Elemente des Rohrbündelstranges sind so dimensioniert, dass entsprechend der thermodynamischen, hydrodynamischen und stoffspezifischen Parameter und Auslegungsdaten der Anlage möglichst keine Entmischung oder partieller Rückfluss beim Aufstieg des Stoffgemisches stattfindet.If the multi-phase heat transfer substance mixtures in the cycle, at least one component of which or propellant acts that undergoes liquid - gaseous - liquid phase changes, in start the ascent movement to do the ascent lifting work, The added, non-evaporated heat transfer component must not come from the flow process fail. A deadweight can be achieved through various measures can be achieved. For example, a kind of foam formation is a defined consistency possible, so that the entire mixture goes through the upward phase. Or but the ascent strand is in the manner of a parallel tube bundle strand designed, in which the partially evaporating or evaporated medium the added substances flow in with it and undergoes the lifting procedure. The clear expanse of the individual Elements of the tube bundle strand are dimensioned so that according to the thermodynamic, hydrodynamic and substance-specific parameters and design data the plant as possible there is no segregation or partial reflux when the mixture of substances rises.
Im oberen Bereich der Anlage, wo die Wärmesenke lokalisiert ist, gibt das umlaufende Wärmeträgermedium per Wärmetauschprozess Wärmeenergie an die Umgebung ab. Stoffe, die im Wärmequellgebiet oder während des Aufstiegs den Gas- oder Dampfzustand eingenommen haben, werden durch definiert geführte thermodynamische Zustandsänderungen, beispielsweise beginnender isothermer Aufstieg verbunden mit isothermer Druckreduzierung und anschließender adiabatischer Aufstiegs- und Druckreduzierungsprozedur so temperiert am Endpunkt des Aufstiegs im Wärmesenkengebiet ankommen, dass die Gasphase eine flüssigkeitsge- oder übersättigte Dampfphase darstellt, die in die Kondensation eintritt. Es ist oben die Kondensations- beziehungsweise Phasenumwandlungswärme abzuführen. Der Kondensationsprozess kann durch verschiedene Maßnahmen begünstigt beziehungsweise effektiver gestaltet werden. Beispielsweise können beigegebene und im Kreisprozess mitgeführte oder stationär angeordnete sorptionsaktive Stoffkomponenten bei Unterschreiten des Dampfdruckes eine Kondensationsbeschleunigung ausüben. Oder aber es wird der Effekt der Kapillarkondensation in einem speziellen gravitationsgetriebenen Zweiphasenkondensator genutzt. Ein Teil der Kondensatoranlage ist dann zum Beispiel als paralleles Röhrenstrangbündel, mit definiertem Gefälle oder in senkrechter Orientierung so ausgelegt, dass durch dieses Bündel das zu kondensierende oder in Kondensation befindliche Medium oder Stoffgemisch hindurchströmt. Die lichten Weiten der Kondensationskapillaren sind in Abhängigkeit von den thermodynamischen Auslegungsdaten der Anlage und den Stoffparametern des oder der Wärmeträgermedien (beispielsweise Oberflächenspannung und Viskosität) so gewählt, dass das hineinströmende flüssige und gasförmige und in Kondensation befindliche Wärmeträger- und Arbeits-Medium als Flüssigkeit unter der Wirkung der Schwerkraft am unteren Ende des gravitationsgetriebenen Zweiphasenkondensators selbständig wieder hinausfließen kann. Dabei wird die Wärmeabgabe an der Wärmesenke bei der Kondensation durch den entstehenden hydrostatischen beziehungsweise geodätischen Druck des Fluids (isotherme Kompression) begünstigt. Vom gravitationsgetriebenen Zweiphasenkondensatorsegment wird die Kondensationswärme permanent abgeführt.In the upper area of the facility, where the heat sink is localized, gives the circulating heat transfer medium by heat exchange process Thermal energy to the environment. Substances in the heat source area or during the Ascent have reached the gas or vapor state, through defines guided thermodynamic State changes, for example beginning isothermal ascent combined with isothermal Pressure reduction and subsequent adiabatic ascent and pressure reduction procedure so tempered at the end point of the ascent in the heat sink area arrive that the gas phase is a liquid-saturated or supersaturated vapor phase represents that enters the condensation. It's the condensation above or dissipate phase change heat. The condensation process can by various measures favored or be made more effective. For example, added and carried along in the cycle or stationary arranged sorption-active material components when falling below accelerate the condensation of the vapor pressure. Or but it becomes the effect of capillary condensation in a special gravity-driven two-phase capacitor used. A part the condenser system is then, for example, as a parallel bundle of tubes defined slope or designed in a vertical orientation so that this bundle medium or mixture of substances to be condensed or in condensation flowing. The clear width of the condensation capillaries is dependent from the thermodynamic design data of the plant and the material parameters of the or the heat transfer media (e.g. surface tension and viscosity) chosen so that the flowing in liquid and gaseous and condensing heat transfer and working medium as liquid under the action of gravity at the bottom of the gravitational Two-phase capacitor independently flow out again can. Thereby the heat emission at the heat sink in the condensation caused by the hydrostatic or geodetic Fluid pressure (isothermal compression) favors. From the gravitational Two-phase capacitor segment, the heat of condensation becomes permanent dissipated.
Auf die einzelnen thermodynamischen Prozessabläufe beziehungsweise auf den gesamten thermodynamisch geschlossenen Kreisprozess wird durch Variation des Einschlussdruckwertes des Wärmeträgermediums im Zirkulationskreislaufsystem ein regelnder Einfluss realisiert. Über die definierte Einschlussdruckbeeinflussung ist eine gezielte Einflussnahme auf die lokale Lage und die Intensität von thermodynamischen Zustandswandlungen vollziehbar, womit das Leistungsvermögen des Konvektionsgenerators entsprechend der Leistungsvermögen der Wärmetauschprozesse im Wärmequellen- und -Senken-Gebiet und der benötigten Lastentnahme regelbar ist.On the individual thermodynamic processes or on the entire thermodynamically closed cycle is determined by varying the inclusion pressure value of the heat transfer medium a regulating influence is realized in the circulation circuit system. About the Defined inclusion pressure influence is a targeted influence on the local position and the intensity of thermodynamic changes of state executable, with which the performance of the convection generator according to the capabilities the heat exchange processes in the heat source and sink area and the required load removal is adjustable.
Eine weitere Einflussnahme auf spezifische Leistungsdaten der einzelnen thermodynamischen Prozessabläufe im Konvektionsgenerator ist gegeben, wenn über beziehungsweise parallel zu bestimmten Zirkulationsphasen zu- oder abschaltbare Bypässe angelegt werden oder unabhängige Stoffströme Wärme transportieren. Dadurch ist es möglich, durch gezielten Transport von Wärme eine gerichtete Einflussnahme auf lokal ablaufende thermodynamische Zustandswandlungen auszuüben. Dies beispielsweise im Verdampfungsbereich des Aufwärtsstranges oder des Kondensationstraktes im Wärmesenkengebiet oder unmittelbar im Bereich, wo das Wärmeträgermedium den Abwärtsfluss beginnt oder durchführt.Another influence on specific Performance data of the individual thermodynamic processes in the convection generator is given when over or parallel to certain circulation phases switchable bypasses be created or independent material flows Transport heat. This makes it possible through targeted transport of heat a directed influence on locally running thermodynamic Exercise changes of state. This, for example, in the evaporation area of the upstream or the condensation tract in the heat sink area or directly in the area where the heat transfer medium the downward flow starts or performs.
Ein charakteristisches Merkmal dieses Konvektionsgeneratorverfahrens mit Phasen- beziehungsweise Aggregatzustandswechsel ist der Fakt, dass sich beispielsweise bei der geothermalen Anwendung im Abwärtsstrang des Zirkulationskreislaufsystems, wo sich das flüssige Wärmeträgerbeziehungsweise Arbeitsmedium mit hoher Dichte nach unten bewegt, ein hoher statischer Druck aufbaut. Dieses unter hohem Druck stehende kühle und flüssige Medium durchströmt die oder den Wärmetauscher des Wärmequellengebietes, drückt das überhitzte aber wegen des hohen statischen Druckes noch flüssige Medium in den beginnenden Aufwärtsstrang, wo es ab einer bestimmten Aufstiegshöhe frei oder nach Druckreduzierung durch eine Arbeitsmaschine isotherm in die gasförmige Phase zu wechseln beginnt. Das dann anfangs isotherm expandierend und zum Endpunkt des Aufstiegs adiabatisch expandierend aufsteigende gasförmige Arbeitsmedium hat beim Aufstieg eine Dichte, die wesentlich geringer ist, als die der Flüssigphase. Für den Konvektionsgenerator ist aber auch ein Verfahren charakteristisch, wonach das kalte flüssige Arbeitsmedium aus dem Wärmesenken-Wärmetauscher kommend über die Abstiegsleitung unter Anstieg seines hydrostatischen Druckes in die Tiefe fließt und dort über eine Strahldüsenanordnung, die in einer Arbeitsmaschine zur Energiegewinnung und -Auskopplung (beispielsweise eine Flüssigkeitsstrahlturbine) befindlich ist, seinen exergetischen Energieinhalt an die Maschine überträgt. Hierbei wird entsprechend des über die senkrechte Tiefe des Abstiegsleitungsstrangs aufgebauten hydrostatischen Drucks die in der Flüssigkeit gespeicherte potentielle Energie mittels der Strahldüsenanordnung in kinetische Energie gewandelt und als mechanische Arbeit von der Arbeitsmaschine gewonnen und ausgekoppelt. Die Wandlung des Flüssigkeitsdruckes oder Masse-Potentialäquivalents in mechanische Energie lässt sich durch die allgemeinen Formeln mit √fl = π⋅r2 düse⋅√fl–düse = π⋅r2 Abstiegsletg⋅√2 fl–abstiegsleitg.A characteristic feature of this convection generator method with phase or aggregate state change is the fact that, for example in geothermal applications, a high static pressure builds up in the downward branch of the circulation circuit system, where the liquid heat transfer medium or working medium moves down with high density. This cool and liquid medium under high pressure flows through the heat exchanger or heat exchangers in the heat source area, presses the superheated but still liquid medium due to the high static pressure into the beginning upward line, where it begins to change isothermally into the gaseous phase freely from a certain ascent height or after a pressure reduction by a working machine. The gaseous working medium, which is initially isothermally expanding and adiabatically expanding towards the end point of the ascent, has a density during the ascent that is significantly lower than that of the liquid phase. For the convection generator, however, a method is also characteristic, according to which the cold liquid working medium coming from the heat sink heat exchanger flows downward via the descent line while increasing its hydrostatic pressure and there via a jet nozzle arrangement which is used in a working machine for energy generation and decoupling (for example a liquid jet turbine) is located, transfers its exergetic energy content to the machine. In this case, the potential energy stored in the liquid is converted into kinetic energy by means of the jet nozzle arrangement in accordance with the hydrostatic pressure built up over the vertical depth of the descent line string, and is extracted and extracted as mechanical work by the working machine. The conversion of the liquid pressure or mass potential equivalent into mechanical energy can be done with the general formulas with √ fl = π⋅r 2 nozzle ⋅√ fl – nozzle = π⋅r 2 descent gate ⋅√ 2 fl – descent guide
Es sind = Massenstrom, √2 fl–düse = mittlere Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit durch die Düse, rdüse = Düsenradius, Vfl-Abstiegsletg = mittlere Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit im Abstiegsleitungsstrang, rAbstiegsleitg Radius des Abstiegsleitungsstranges,Volumenstrom der Flüssigkeit (ist wegen Kontinuitätsgleichung durch Düse gleich dem durch Abstiegsleitung) und pfl = Dichte der Flüssigkeit.There are = Mass flow, √ 2 fl – nozzle = average flow velocity of the liquid through the nozzle, r nozzle = nozzle radius, V fl descent line = average flow velocity of the liquid in the descent line, r descent line radius of the descent line, Volume flow of the liquid (due to the equation of continuity through the nozzle is equal to that through the descent line) and p fl = density of the liquid.
PS ist der in der Anlage an der Düse beziehungsweise über die Düsenanordnung abgreifbare Druck. Der Querschnitt des Abstiegsleitungsstranges muss überall größer sein als der der Düse; oder wenn es mehrere Düsen sind, dann auch größer als die summarische Düsenquerschnittsfläche.P S is the pressure that can be tapped in the system at the nozzle or via the nozzle arrangement. The cross-section of the descent pipeline must be larger than that of the nozzle everywhere; or if there are several nozzles, then also larger than the total nozzle cross-sectional area.
Das Abstiegsrohr mit der Arbeitsmaschine am unteren Ende befindet sich innerhalb des Dampf- oder Gasaufstiegsleitungsstranges. Dieser Leitungsstrang setzt sich unterhalb der Position der Arbeitsmaschine weiter in die Tiefe fort, so dass das flüssige Arbeitsmedium nach Verlassen der Arbeitsmaschine teilweise die Wandung benetzend in die Tiefe des vorwiegend mit Gas/Dampf angefüllten Leitungsstranges stürzt, auf seinem Weg nach unten Wärme aufnimmt, verdampft und nach hinreichender weiterer Wärmeenergieaufnahme nach oben aufzusteigen beginnt. Unterhalb der Position der Arbeitsmaschine erfolgt die Aggregatszustands- oder Phasenänderung vom flüssigen zum gasförmigen Zustand. Und gleichzeitig nutzen beide Wärmeträgermedienphasen gemeinsam, aber im Gegenstromprinzip, das untere Leitungsstrangsegment, welches als Wärmetauscher im Wärmequellgebiet fungiert, als Abstiegs- und Aufstiegsleitung. In diesem Leitungssegment findet bis auf den barometrischen Druckanteil der aufsteigenden Gas- oder Dampfsäule die Phasenumwandlung von flüssig zu gasförmig und die Erwärmung des Dampfes isobar statt.The descent pipe with the working machine at the bottom is within the steam or gas riser pipeline. This wiring harness continues below the position of the work machine in depth so that the liquid working medium after leaving of the working machine partially wetting the wall in depth of the pipeline mainly filled with gas / steam falls its way down heat absorbs, evaporates and after sufficient further heat energy absorption begins to rise above. Below the position of the work machine the state of matter or phase changes from liquid to gaseous Status. And at the same time, both heat transfer medium phases use together, but in the countercurrent principle, the lower line segment, which as a heat exchanger in the heat source area acts as a descent and ascent line. In this line segment takes place up to the barometric pressure component of the ascending Gas or steam column the phase change from liquid too gaseous and warming of steam is isobar instead.
Die Hubarbeit des expansiv aufsteigenden Arbeitsmediums kann energetisch vollständig aus der aufgenommenen Wärmemenge getilgt werden. Auf der Druckseite der Anlage, also im Gebiet des flüssigen Arbeitsmediums lässt sich durch erfindungsgerecht gezielte Kombination von thermischen, konvektiven und gravimetrischen Effekten ohne explizite Kompressionsarbeit aufbringen zu müssen, ein hoher exergetischer Anteil aus der Hochdruckströmung auskoppeln. Diese thermodynamisch geschlossene Prozessführung mittels des erfindungsgemäßen Konvektionsgenerators kommt für geothermale Exergieausbeutungsanwendungen der Carnot'schen Prozessführung am nächsten.The lifting work of the expansively rising Working medium can be energetically completely absorbed heat be repaid. On the pressure side of the system, i.e. in the area of the liquid Working medium leaves through a targeted combination of thermal, convective and gravimetric effects without explicit compression work to have to muster Decouple a high exergetic part from the high pressure flow. This thermodynamically closed process control by means of the convection generator according to the invention comes for geothermal exergy exploitation applications of Carnot's process control on next.
Als Wärmeträgermedium sind auch chemisch und oder physikalisch reaktive Stoffe einsetzbar. Das sind beispielsweise solche Stoffe oder mehrphasige Gemische von Stoffen, die auf dem Zirkulationsweg durch das Leitungsstrangsystem reversible innere Strukturumwandlungen oder und chemische oder physikalische Verbindungs- beziehungsweise Vernetzungsstrukturumwandlungen durchlaufen. Dabei sind auch Sorptions- und Desorptionsprozesse an oder in Stoffkomponenten eines Mehrphasengemisches einbeziehbar.As a heat transfer medium are also chemical and or physically reactive substances can be used. These are, for example such substances or multiphase mixtures of substances based on the Circulation path through the reversible inner wiring system Structural transformations and and chemical or physical connection or undergo network structure transformations. there are also sorption and Desorption processes on or in material components of a multi-phase mixture incorporable.
Zur Verstärkung des Einflusses des Gravitationsfeldes bzw. gänzlich als Ersatz kann die Fliehkraft in rotierenden Anordnungen zur Prozessaufrechterhaltung genutzt werden.To increase the influence of the gravitational field or entirely centrifugal force can be used as a replacement in rotating arrangements for process maintenance be used.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, in denen eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des erfinderischen Verfahrens schematisch dargestellt sind.Further details of the invention result from the following description and the attached drawings, in which a preferred embodiment the device for carrying out of the inventive method are shown schematically.
In den Figuren zeigen:The figures show:
Um die konvektive Strömung des
Fluids im Schwerefeld ohne Aufwendung von Hilfsenergien bei gleichzeitiger
Exergieextraktion aus dem strömenden
Fluid zu ermöglichen
sind beispielsweise folgende vorrichtungs- und verfahrenstechnische
Bedingungen zu erfüllen:
Ein
Kreislaufsystem
A circulatory system
Der Heizkessel stellt die unten befindliche
Wärmequelle
Für
geothermale Anwendungen liegt die Wärmequelle
Zur Wahrung einer gerichteten Konvektionsströmung ist
der Leitungsstrang
Unten im Wärmequellgebiet
Zur Vermeidung von Wärmeverlusten
aus dem aufsteigenden Fluid ist am Aufwärtsstrang
Dieses konvektiv gerichtete Kreislaufsystem
Ein auf diese Weise geometrisch und
strömungstechnisch
sowie hinsichtlich der Wärmeübertragung und
-isolierung zweckmäßig ausgelegtes
kommunizierendes Kreislaufsystem
Dazu sind an geeigneter Stelle, aber
verfahrenstechnisch an beliebiger Position im Fluidkreislauf Arbeitsmaschinen
Ein Kreislaufsystem ohne vonstattengehenden Phasenumwandlungen hat im Vergleich zum Carnot'schen Prozess nur einen äußerst geringen Wirkungsgrad.A circulatory system without going on Has phase transformations only in comparison to the Carnot process an extremely small one Efficiency.
Eine signifikante Steigerung des Leistungs-Wirkungsgrades ist möglich, wenn die zirkulierenden Fluide thermodynamische Phasenumwandlungen beziehungsweise Aggregatzustandsänderungen über die Strömungswegstrecke vollführen.A significant increase in Power efficiency is possible when the circulating fluids undergo thermodynamic phase transformations or changes in physical state via the flow path perform.
Wie in
Beim Prinzip des kapillaren und sorptionsaktiven
gravitations-getriebenen Zweiphasenkondensators ist zusätzlich der
Dampf mit versprühter
Flüssigkeit
mischbar. Das Gemisch tritt in Kapillaren ein, in denen eine Phasentrennung
weitgehend verhindert wird. Es verbleibt ein Zweiphasengemisch,
dass durch den nun relevanten geodätischen beziehungsweise hydrostatischen
Druckanstieg beim Durchströmen
des Abwärtsstrangs
Durch das Auftreten zweier verschiedener
Aggregatzustände,
kühl und
flüssig
und somit stofflich dicht im Abwärtsstrang
Das Leistungsvermögen einer derartigen Anlage
wird durch das Vermögen
des Wärmeaustauschs
in der Wärmesenke
Das zitierte Leistungsprodukt aus
Volumenstrom und Druckdifferenz über
die Arbeitsmaschine
Ein letzter Spezialfall zur Variante
c) soll noch erwähnt
werden. Es ist beispielsweise möglich,
das Fluid überhitzt
aber völlig
flüssig
und unter statischem Druck stehend über eine Düsenanordnung auf eine Schaufelrad-
oder Flügelradanordnung
einer Arbeitsmaschine
Die thermische Isolation
Am Abwärtsstrang
Bei Verwendung von Mehrphasen- oder/und
Mehrstoffgemischen als Wärmeträgermedium
sind im Aufwärtsstrang
Der Abwärtsstrang
Erfindungsgemäße Konvektionsgeneratoren Aa und A zur Nutzung von Geothermalenergie sind auch in Schächte, Tunnel, Kavernen und Kanalanlagen, beispielsweise auch in Schächten und Stollen von Bergwerken installierbar.Convection generators Aa according to the invention and A for the use of geothermal energy are also in shafts, tunnels, Caverns and sewer systems, for example in shafts and Mine tunnels can be installed.
Der Konvektionsgenerator kann bei entsprechender Bauhöhe auch in einer Maschinenhalle untergebracht werden, wobei als Wärmequelle und -senke z.B. entsprechende Fluidkreisläufe realisiert werden.The convection generator can appropriate height can also be accommodated in a machine hall, using as a heat source and sink e.g. appropriate fluid circuits can be realized.
An
Diese Ausführungsform des Konvektionsgenerators
A ist als geothermale Sonde aufgebaut. Das Kreislaufsystem
In diesem Ausführungsbeispiel befindet sich
die Position der Arbeitsmaschine
Am Ausführungsbeispiel der
Wenn der Konvektionsgenerator Aa;
A über
längere
Zeit strömungstechnisch
stillgelegt ist, was bedeutet, es findet im Kreislaufstrangsystem
keine konvektive Vorzugsströmung
statt und das Wärmeträgermedium
steht thermisch mit seiner Umgebung im Gleichgewichtszustand, wird
der Kreisprozess über
eine extra zuschaltbare Bypass-Leitung
Zum generellen An- und Ausschalten sowie zum regelungstechnischen Eingreifen in den Strömungsprozess ist in der Leitungsstranganordnung mindestens ein hydromechanischer Strömungs-Ein- und Aus-Schalter installiert.For general switching on and off as well as for control engineering intervention in the flow process is at least one hydromechanical in the wiring harness arrangement Flow input and off switch installed.
Zweckmäßigerweise lässt sich mittels mehrerer Ventile der gesamte flüssigkeitsführende Strang vom gasführenden Bereich strömungstechnisch abtrennen.Conveniently, by means of several valves, the entire liquid-carrying line from the gas-carrying Fluidic area split off.
Eine weitere Regelung des Konvektionsgenerators ergibt sich durch Veränderung des Einschlussdruckes des Wärmeträger- beziehungsweise Arbeitsmediums im Leitungsstrangsystem. Dadurch kann unter Berücksichtigung der Temperaturen im Wärmesenken- aber auch im Wärmequellgebiet auf das Dampfdruck- beziehungsweise Kondensationsverhalten des Wärmeträgermediums Einfluss genommen werden. Beispielsweise kann der Wärmesenken-Wärmetauscher in einem Wasserfluss installiert sein. Der Fluss unterliegt witterungs- und jahreszeitlich bedingten Temperaturunterschieden. Wird es kälter im Wärmesenkengebiet, dann kann der Einschlussdruck gesenkt werden und die Kondensation findet genauso statt wie unter etwas höheren Temperatureinflüssen bei höherem Einschlussdruck. Allerdings steigt mit klimatisch bedingter Temperaturabnahme der Wärmesenke das energetische Ausbeutevermögen der Wärmequelle.Another regulation of the convection generator results from change the inclusion pressure of the heat transfer or Working medium in the wiring harness system. This can take into account the temperatures in the heat sink but also in the heat source area on the vapor pressure or condensation behavior of the heat transfer medium Be influenced. For example, the heat sink heat exchanger be installed in a water flow. The river is subject to weather and seasonal temperature differences. Is it getting colder in the Heat sink area, then the confinement pressure can be reduced and the condensation takes place in exactly the same way as under somewhat higher temperature influences higher Containment pressure. However, the climatic decrease in temperature increases the heat sink the energetic yield the heat source.
Zur Durchführung des Verfahrens können beispielsweise folgende Stoffe Verwendung finden, auch als Komponente in einer Mehrstoffmischung:
- – Ammoniak (NH3) und Ammoniak-Wassergemische
- – Gruppe der Halogen-Kohlenwasserstoffe; zum Beispiel R 22
- – Bohrchlorid
- - Iodwasserstoff-Wassergemisch
- – Kohlendioxid (CO2); (unter speziellen thermischen Anlagen-Bedingungen)
- – Schwefeldioxid
- – Silizium-Disilan
- – 2-Methylpropan (Isobutan; i-Butan)
- – 2,2-Dimethylpropan (Neopentan)
- – 2-Butene (es existieren drei Sorten mit unterschiedlichen Siedetemperaturen zwischen – 6,3°C und 3,7°C unter Normalbedingungen)
- – 1,3-Butadien (es kann polymerisieren, daher nur in dies verhindernden Stoffmischungen verwendbar)
- – Gruppe der Ether, Oxirane (aber hochbrennbar)
- – Wasser / Wasserdampf
- - Ammonia (NH 3 ) and ammonia-water mixtures
- - group of halogenated hydrocarbons; for example R 22
- - drilling chloride
- - Hydrogen iodide / water mixture
- - carbon dioxide (CO 2 ); (under special thermal system conditions)
- - sulfur dioxide
- - silicon disilane
- - 2-methylpropane (isobutane; i-butane)
- - 2,2-dimethylpropane (neopentane)
- - 2-butenes (there are three types with different boiling temperatures between - 6.3 ° C and 3.7 ° C under normal conditions)
- - 1,3-butadiene (it can polymerize, so it can only be used in mixtures that prevent this)
- - group of ethers, oxiranes (but highly flammable)
- - water / water vapor
- Aaaa
- KonvektionsgeneratorKonvektionsgenerator
- AA
- KonvektionsgeneratorKonvektionsgenerator
- 11
- Wärmeträgermedien- beziehungsweise ArbeitsmittelkreislaufsystemWärmeträgermedien- or working fluid circulation system
- 22
- Leitungsstrang/AbwärtsstrangWiring harness / down train
- 33
- Wärmequellgebiet/WärmequelleHeat source area / heat source
- 44
- Wärmetauscherheat exchangers
- 55
- Leitungsstrang/AufwärtsstrangWiring harness / upward run
- 66
- optional gasförmiger Zustandoptional gaseous Status
- 77
- Wärmesenke/WärmesenkengebietHeat sink / heat sink area
- 88th
- Wärmetauscher/WärmesenkeHeat exchanger / heat sink
- 99
- Kondensations-KapillarröhrenCondensing capillary tubes
- 1010
- Arbeitsmaschine zur Energieauskopplungworking machine for energy extraction
- 1111
- Arbeitsmaschine zur Energieauskopplungworking machine for energy extraction
- 11a11a
- Stromgeneratorpower generator
- 1212
- Arbeitsmaschine zur Energieauskopplungworking machine for energy extraction
- 1313
- thermische Isolierung/Aufwärtsstrangthermal Isolation / boost strand
- 1414
- thermische Isolierung/Abwärtsstrangthermal Isolation / down strand
- 1515
- nichtsiedender Bereich (Positionsbereich)nichtsiedender Area (position area)
- 1616
- Position (Bereich)position (Area)
- 1717
- Bypass-LeitungBypass line
- 1818
- Verdichtercompressor
- 1919
- Wärmetauscherheat exchangers
- 2020
- adiabatische Entspannungadiabatic Relaxation
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- KaltwasserzuflussCold water supply
- 2222
- WarmwasserabflussWarm water outflow
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