DE3044551C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung der thermischen Energie von Wasser in mechanische Energie.

Es ist eine Vorrichtung zur Umwandlung von Energie, d. h. ein Kraftwerk bekannt, bei dem ein Luftstrom in einem Kamin genutzt wird, der entlang des Kamins eine Druckdifferenz bewirkt.

Eine Möglichkeit, den erwünschten Druckunterschied zu erzeugen, liegt darin, die Luft im unteren Bereich des Kamins zu erwärmen, so daß ihre Dichte vermindert wird und hierdurch bewirkt wird, daß die Luft zum oberen Ende des Kamins aufsteigt. Der Luftstrom wird durch eine Turbine hindurchgeführt, um die kinetische Energie der Luft in Nutzarbeit und insbesondere Elektrizität umzuwandeln. Herkömmlicherweise wird zur Erwärmung der Luft Sonnenenergie oder Abfallwärme verwendet. Diese Vorrichtung ist bisher nicht praktisch verwirklicht, da der Wirkungsgrad eines solchen Systems relativ gering ist. Es ist nämlich sehr viel Wärme erforderlich, um nur eine kleine mechanische Arbeit bzw. Energie zu erhalten.

Ein anderer Weg, um den gewünschten Druckunterschied zu erzeugen, liegt darin, die Luft in einem Kamin abzukühlen, wodurch ihre Dichte erhöht wird. Hierdurch wird ein Luftfall durch eine am Boden des Kamins angeordnete Luftturbine erzeugt. Ein solches Vorgehen ist in der US-PS 38 94 393 beschrieben, die zeigt, wie Wasser in einen Kamin in der Nähe des oberen Endes des Kamins eingesprüht wird, wodurch das Wasser verdunstet. Dies ergibt einen einfachen Weg die Luft abzukühlen. Wenn jedoch Widerstandsverluste der Leitung auf den Luftstrom mit in Betracht gezogen werden, wird keine maximale Austrittsgeschwindigkeit im Verhältnis zur Druckdifferenz erzielt. Eine genauere Untersuchung der bekannten Vorrichtung zeigt, daß die Reibungs- oder Widerstandsverluste die Nutzenergie, die erzeugt werden kann, übertreffen und die Austrittsgeschwindigkeit der Luft daher in einer Größenordnung liegt, die gering ist. Daher konnte auch diese Vorrichtung keine praktische Anwendung zur Umwandlung von Energie finden.

Bei einer Vorrichtung zur Energieumwandlung, wie sie in der US 22 65 878 gezeigt ist, werden Wassertropfen im Bodenbereich eines Steigrohres durch einen Zerstäuber eingebracht, indem Wasserstrahlen auf ein drehendes Gitter gerichtet werden. Die derart erzeugten Wassertropfen werden im Steigrohr mittels eines durch elektrisch betriebene Propeller erzeugten Luftstroms zum Aufsteigen gebracht. Im oberen Bereich der Vorrichtung strömt die Luft zwischen Streben hindurch, bevor sie wieder nach unten geleitet wird. Die durch die aufwärts strömende Luft mitgenommenen Wassertropfen treffen auf die Streben auf und fallen in ein Reservoir im oberen Bereich des Steigrohres. Mittels des sich ansammelnden Wassers ist eine Turbine antreibbar.

Dabei ist es jedoch nachteilig, daß zur Erzeugung der aufsteigenden Luftströmung kinetische Energie notwendig ist, was durch die mit den Propellern gekoppelten Motoren mittels elektrischer Energie geschieht. Somit treten bei der Umwandlung relativ große Energieverluste auf. Eine Nutzung der thermischen Energie des Wassers findet nicht statt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der genannten Art zu schaffen, durch die ein Teil des Wärmegehaltes von Wasser in einfacher Weise in mechanische Energie umwandelbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Umwandlung der thermischen Energie von Wasser in mechanische Energie mit einem vertikalen Steigturm mit einem offenen unteren Ende, der einen Strömungsweg für ein vertikales Aufsteigen eines Luft-Wasser-Gemisches bildet, mit Einrichtungen zum Einsprühen von wärmerem Wasser aus einer Quelle in relativ kältere Luft im Bodenbereich des Steigturms, um ein aufsteigendes Medium zu erzeugen, welches in Luft suspendierte Wassertropfen enthält, mit einer bogenförmigen Umlenkung des Steigrohres in die horizontale Richtung an dessen oberem Ende, mit einem stromab der Umlenkung unterhalb des Mediumstromes derart angeordneten Reservoir, daß die aus dem Mediumstrom aufgrund ihres Eigengewichtes ausfallenden Wassertropfen sich in dem Reservoir sammeln, und mit einer an sich bekannten hydraulischen Turbine, die von dem Wasser durchströmt ist.

Es ist also vorgesehen, Wasser in einem Steigturm von einem niedrigen auf ein höheres Niveau aufsteigen zu lassen, indem im Turm ein Luft-Wassertropfen-Milieu geschaffen wird, das einen Druckunterschied über den Turm hin bewirkt. Dieser Druckunterschied ist ausreichend, um der Luft eine Aufwärtsgeschwindigkeit zu verleihen, die die Fall- oder Driftgeschwindigkeit der Wassertropfen übertrifft. Daher wirken Mitnahmekräfte auf die Wassertropfen, die die Fallkräfte der Wassertropfen die durch die Schwerkraft entstehen, ausgleichen, so daß die Wassertropfen durch die aufsteigende Luft mit nach oben genommen werden. Durch Umlenken der Strömung am oberen Ende des Steigturms verlieren die Wassertropfen ihre Aufwärtsgeschwindigkeitskomponente und werden in einem Reservoir gesammelt. Die notwendige Umgebung oder das notwendige Milieu wird dadurch erzeugt, daß Wasser in kühlere Luft am unteren Ende des Steigturms eingebracht wird. Hierdurch wird die Luft erwärmt, steigt auf und führt die Wassertropfen zum oberen Ende des Steigturms mit.

Das in den Steigturm eingebrachte Wasser kann von einer Quelle entnommen sein, die eine relativ konstante Temperatur aufweist, die oberhalb der Temperatur der Umgebungsluft liegt. Das abgekühlte Wasser im Reservoir kann dann zur Quelle zurückgeführt werden. Demgemäß ist nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß eine Einrichtung zur Zurückführung des Wassers vom Reservoir zur Ausgangsquelle vorgesehen ist. Dabei ist die Quelle vorzugsweise der Auslaß eines Wärmetauschers und das Wasser wird aus dem Reservoir zum Einlaß des Wärmetauschers zurückgeführt.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, daß das Niveau des Reservoirs über dem Niveau der Quelle liegt und daß das Wasser aus dem Reservoir durch die hydraulische Turbine zur Quelle zurückgeführt wird. In diesem Fall kann das Niveau, auf dem das Wasser in den Steigturm eingebracht wird, unterhalb des Niveaus der Quelle liegen, so daß der Druckunterschied ausgenutzt werden kann, um das Wasser in den Steigturm einzusprühen. Dies hat den Vorteil, daß die Notwendigkeit eines Hochpumpens des Wassers in den Steigturm entfällt.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Niveau der Quelle im wesentlichen mit dem des Reservoirs übereinstimmt und daß das Wasser vor dem Einsprühen durch die hydraulische Turbine geführt ist.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß die Energie des Einsprühens des Wassers von der in der hydraulischen Turbine erzeugten Energie abgezweigt wird. Die Luft wird vorzugsweise aus der Umgebung entnommen und wieder an sie abgegeben. Dabei ist bevorzugterweise vorgesehen, daß stromab der Umlenkung ein im wesentlichen vertikaler Kamin zur Ableitung der Luft angeordnet ist.

Die Vorrichtung läßt sich vorteilhaft einsetzen, wenn tiefes Wasser von Seen, Fjorden und Meeren als Wärmequelle in Bereichen genutzt wird, in denen die Lufttemperaturen unter dem Gefrierpunkt liegen. Es ist jedoch auch möglich, die Vorrichtung bei Kühltürmen von Kernkraftwerken zu verwenden, wo große Mengen Niederenergie abgeleitet oder dissipiert werden müssen. Dabei wird heißes Wasser aus dem Kondensator eines derartigen Kraftwerks am unteren Ende eines Steigturms eingesprüht, wodurch eine Aufwärtsströmung von Luft erzeugt wird, die die eingesprühten Tropfen zum oberen Ende mitnehmen. Das gekühlte Wasser kann zur Kühlung wieder eingesetzt werden, nachdem es durch eine Turbine zurückgeleitet wurde. Gemäß dieser Ausgestaltung wird Niederwärme von Kondensatorkühlwasser in Nutzenergie umgewandelt, anstatt diese Wärme an die Umwelt abzugeben und zu verteilen.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt

Fig. 1 eine schematische, teilweise geschnitten dargestellte Seitenansicht einer ersten Ausgestaltung der Erfindung;

Fig. 2a einen Wassertropfen, der unter Einfluß einer Aufwärtsströmung von Luft im in der Fig. 1 gezeigten Steigturm nach oben getragen wird;

Fig. 2b einen aus dem Luftstrom ausfallenden Wassertropfen bei horizontal gerichteter Luftströmung und

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 weist eine Vorrichtung 10 zur Umwandlung der thermischen Energie von Wasser in mechanische Energie eine Vielzahl von hohlen vertikalen Rohren 12 auf. Die Rohre 12 reichen bis unter die Stufe eines Erdabschnittes 14 im Bereich einer Ausgangsquelle 16. Unterirdische Leitungen 18 sind mit den Rohren 12 verbunden. Am oberen Ende der Rohre 12 ist ein Oberteil 20 aufgesetzt. Die Leitungen 18 bilden einen Einlaß 32 vom oberen Abschlußniveau des Erdabschnitts 14 zum Boden jeden Rohres 12. Unterhalb im Niveau der Oberfläche der Quelle 16 ist eine Sprüheinrichtung 22 in den Rohren 12 angeordnet. Die oberen Enden der Rohre 12 sind über einen Verbindungsabschnitt 26 miteinander verbunden, der die Basis eines Kamins 28 bildet. Die Sprüheinrichtungen oder Sprühköpfe 22 werden von der Quelle 16 über Leitungen 30 mit Wasser versorgt. Es ist ein ausreichender hydraulischer Stau vorhanden, der aufgrund der Höhe des Wasserniveaus 24 in der Quelle 16 und der Tiefe der Anordnung der Leitungen 30 erzeugt wird. Durch diesen hydraulischen Stau wird ein vertikales Aussprühen von aus der Quelle 16 zugeführtem Wasser in die vertikalen Rohre 12 erreicht. Jedes vertikale Rohr 12 bildet einen Steigturm, in dem kühle Umgebungsluft am Boden eintritt, wie dies in Fig. 1 angedeutet ist. Die Luft tritt aus den Rohren 12 in den Verbindungsabschnitt 26 ein, von wo sie wiederum durch den oberen Abschluß des Kamins 28 austritt. Wie im folgenden eingehend erläutert wird, reduziert die Erwärmung der Luft im Steigturm 12 die Dichte der Luft und bewirkt so ein Druckgefälle über das Rohr 12 hin. Dieses Druckgefälle erzeugt ein Aufwärtsströmen der Luft vom Einlaß 32 in der oberen Ebene der Stufe des Erdabschnitts 14 zum Auslaß 34 des Kamins 28. Durch geeignete Auswahl der Parameter des Steigturms 12 und des Kamins 28 erreicht die Luft in jedem Steigturm 12 eine Vertikalgeschwindigkeit W, wie sie in den Fig. 2a und 2b gezeigt ist. Die Vertikalgeschwindigkeit W übertrifft die Fallgeschwindigkeit oder sog. Driftgeschwindigkeit u eines Wassertropfens 36 im Steigturm 12. In den Fig. 2a und 2b ist ein solcher Wassertropfen mit dem Bezugszeichen 36 angedeutet. Durch die Vertikalgeschwindigkeit der Luft, die die Fallgeschwindigkeit u eines Wassertropfens übertrifft, wird dem Wassertropfen eine Aufwärtsgeschwindigkeit c erteilt. Es sei angemerkt, daß die Fall- oder Driftgeschwindigkeit eines Wassertropfens in Abhängigkeit von der Wurzel des Radius variiert. Für einen Tropfen mit einem Durchmesser von einem Millimeter liegt die Driftgeschwindigkeit bei etwa 5 m/sek.

Wird warmes Wasser in die kühlere Luft im Steigturm 12 eingesprüht, wird ein Luft-Wassertropfen-Milieu geschaffen, in dem die Wassertropfen vom unteren Ende des Steigturms 12 zum oberen Ende desselben aufsteigen, wie dies durch den Pfeil 40 in der Fig. 1 angedeutet ist. Die ellenbogenförmigen Teile des Verbindungsabschnitts 26 am oberen Ende jedes Steigturms 12 dienen dazu, die Luft von einer vertikalen Steigrichtung in einen horizontalen Weg umzulenken, bevor die Luft in den Einlaß des Kamins 28 eintritt. Wie in Fig. 2b gezeigt ist, bewirkt die Umlenkung der Luft in eine im wesentlichen horizontale Richtung, daß die Fall- oder Driftgeschwindigkeit u des Wassertropfens wirksam wird, und so die Tropfen herunterdrückt, während die Luft horizontal strömt, wie dies durch die Bahn 38 der Luft angedeutet ist. Derart wird eine im wesentlichen ballistische Bahn 40 für die Wassertropfen erreicht, wie sie in der Fig. 1 angedeutet ist. Die Wassertropfen fallen so in einen zentralen Bereich zwischen den Steigrohren 12. Die Wassertropfen werden in diesem zentralen Bereich in einem Reservoir 42 gesammelt, das im wesentlichen durch die Steigtürme 12 getragen wird. Da die Luft im Kamin 28 erwärmt ist und weniger dicht ist als die Luft außerhalb des Kamins, dauert der Aufwärtssog an und die Luft tritt aus dem oberen Ende 34 des Kamins aus.

Statt eines scharfen Umlenkens der Luft durch den Verbindungsabschnitt 26, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, kann eine geneigte Abscheidungsanordnung anstatt der Rohre 12 vorgesehen sein, um die Wassertropfen zu sammeln. In diesem Fall wird die Geschwindigkeit der aufsteigenden Luft dann unterhalb eines vorgegebenen erforderlichen Wertes reduziert, um zu bewirken, daß die Strömungskräfte auf die Wassertropfen eine vertikale Komponente aufweisen, die geringer ist, als die Fall- oder Driftgeschwindigkeit u der Wassertropfen 36. Diese Anordnung erlaubt, die Wassertropfen auf einem höheren Niveau relativ zu dem Niveau zu sammeln, bei dem die Wassertropfen in den Luftstrom eingebracht werden.

Das im Reservoir 42 gesammelte Wasser wird zur Ausgangsquelle 16, die ein natürlicher oder künstlicher Speicher sein kann, durch eine Leitung 44 zurückgeführt, wobei es durch eine hydraulische Turbine 46 geführt wird. Derart ist ein Teil der in der Quelle 16 enthaltenen Wärme in mechanische Energie über die Steigtürme 12 umgewandelt worden.

Statt der Anordnung der Sprühköpfe 22 unterhalb der Oberfläche 24 der Quelle 16 ist es möglich, die Sprühköpfe 22 oberhalb der Oberfläche des Wassers anzuordnen und einen Teil der durch die hydraulische Turbine 46 erzeugten Arbeit dazu zu nutzen, eine Pumpe anzutreiben, die Wasser aus der Quelle in die Sprühköpfe fördert.

Im folgenden wird auf die Fig. 3 Bezug genommen. Das Bezugszeichen 50 bezeichnet eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung zur Energieumwandlung.

Steigtürme 12′ sind unterhalb der Oberfläche eines Erdbereichs 14 angeordnet, so daß die Oberfläche 52 eines Reservoirs 42′ der Vorrichtung zur Energieumwandlung 50 nach der Ausgestaltung der Fig. 3 im wesentlichen auf gleicher Ebene oder leicht oberhalb des Niveaus 24 der Quelle 16 liegt. In dieser Weise kann Wasser aus dem Reservoir 42′ in die Ausgangsquelle 16 fließen.

Wie in Fig. 3 dargestellt ist, wird der Sprühkopf 22′ mit Wasser versorgt, das aus einer hydraulischen Turbine 46′ austritt, die auf einer Ebene unterhalb der Oberfläche 24 der Quelle 16 angeordnet und mit dieser durch eine Leitung 54 verbunden ist. Bei Betrieb tritt relativ kühlere Luft durch den Lufteintritt 56 und fließt abwärts in das untere Einlaßende des Steigturms 12′, wo die Luft durch einen Sprühstrahl 58 erwärmt wird, der durch die Sprühköpfe 22′ erzeugt wird. Die die Wassertropfen enthaltende erwärmte Luft steigt wie bei der Ausgestaltung der Fig. 1 auf. Ein Verbindungsabschnitt 60, der am oberen Ende des Steigturms 12′ angeordnet ist, lenkt das Luft-Wassertropfen-Gemisch um und bewirkt so eine Trennung des Wassers von der Luft, wie dies schon unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 beschrieben wurde.

Ideale Orte zur Konstruktion eines beschriebenen Steigturms liegen im nördlichen Bereich von Alaska, beispielsweise dort, wo Wasser mit einer Temperatur von 0°C über das ganze Jahr hin vorhanden ist und von November bis März die Lufttemperaturen im Bereich von -15°C bis -30°C liegen, so daß im Steigturm Temperaturunterschiede zwischen dem eingesprühten Wasser und der Luft von 15 bis 30° gegeben sind. Ein anderer idealer Ort liegt in der Nachbarschaft des Lake Superior (oberer See), wo das Wasser in der Periode von Dezember bis März Temperaturen von 2 bis 3°C aufweist und die Lufttemperaturen inmitten zwischen -7°C bis -12°C liegen, so daß ein Temperaturunterschied von 10 bis 15° vorliegt.

Die ideale Ausgangsleistung eines Steigturms mit Wasser von etwa 1°C, Luft von etwa -30°C, einer Tröpfchengröße von etwa einem Millimeter Durchmesser, einer Kaminhöhe von etwa 500 Metern mit einem Durchmesser von etwa 50 Metern liegt bei etwa 36 Megawatt. Die Anfangs- oder Herstellungskosten pro Kilowatt Ausgangsleistung sind denen eines Kernkraftwerks vergleichbar. Demgegenüber erfordert die beschriebene Vorrichtung aber keine Brennstoffkosten.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Umwandlung der thermischen Energie von Wasser in mechanische Energie, mit einem vertikalen Steigturm (12, 12′) mit einem offenen unteren Ende, der einen Strömungsweg für ein vertikales Aufsteigen eines Luft-Wasser-Gemisches bildet, mit Einrichtungen (22) zum Einsprühen von wärmerem Wasser aus einer Quelle in relativ kältere Luft im Bodenbereich des Steigturms (12, 12′), um ein aufsteigendes Medium (38, 40) zu erzeugen, welches in Luft suspendierte Wassertropfen (36) enthält, mit einer bogenförmigen Umlenkung des Steigrohres in die horizontale Richtung an dessen oberem Ende, mit einem stromab der Umlenkung unterhalb des Mediumstromes derart angeordneten Reservoir (42, 42′), daß die aus dem Mediumstrom aufgrund ihres Eigengewichtes ausfallenden Wassertropfen sich in dem Reservoir sammeln, und mit einer an sich bekannten hydraulischen Turbine (46), die von dem Wasser durchströmt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Zurückführung des Wassers vom Reservoir (42, 42′) zur Ausgangsquelle (16) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle der Auslaß eines Wärmetauschers ist und das Wasser aus dem Reservoir (42, 42′) zum Einlaß des Wärmetauschers zurückgeführt wird.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Niveau des Reservoirs (42) über dem Niveau der Quelle (16) liegt und daß das Wasser aus dem Reservoir (42) durch die hydraulische Turbine (46) zur Quelle (16) zurückgeführt wird.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Niveau der Quelle (16) im wesentlichen mit dem des Reservoirs (42′) übereinstimmt und daß das Wasser vor dem Einsprühen durch die hydraulische Turbine (46′) geführt ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie zum Einsprühen des Wassers von der in der hydraulischen Turbine (46, 46′) erzeugten Energie abgezweigt ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft aus der Umgebung entnommen und wieder an sie abgegeben wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß stromab der Umlenkung ein im wesentlichen vertikaler Kamin (28) zur Ableitung der Luft angeordnet ist.