EP2504531A2 - Thermische einrichtung zum erzeugen von mechanischer und/oder elektrischer energie - Google Patents

Thermische einrichtung zum erzeugen von mechanischer und/oder elektrischer energie

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EP2504531A2
EP2504531A2 EP10779723A EP10779723A EP2504531A2 EP 2504531 A2 EP2504531 A2 EP 2504531A2 EP 10779723 A EP10779723 A EP 10779723A EP 10779723 A EP10779723 A EP 10779723A EP 2504531 A2 EP2504531 A2 EP 2504531A2
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EP
European Patent Office
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pressure vessel
medium
working medium
contractive
expansion
Prior art date
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EP10779723A
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English (en)
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EP2504531B1 (de
Inventor
Erich Kumpf
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Bems Curd
Original Assignee
Bems Curd
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Publication date
Application filed by Bems Curd filed Critical Bems Curd
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Application granted granted Critical
Publication of EP2504531B1 publication Critical patent/EP2504531B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K27/00—Plants for converting heat or fluid energy into mechanical energy, not otherwise provided for
    • F01K27/005—Plants for converting heat or fluid energy into mechanical energy, not otherwise provided for by means of hydraulic motors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B19/00—Machines or pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B17/00
    • F04B19/20—Other positive-displacement pumps
    • F04B19/24—Pumping by heat expansion of pumped fluid

Definitions

  • Thermal device for generating mechanical and / or electrical energy
  • the present invention relates to a thermal device for generating mechanical and / or
  • geothermal energy is known in the so-called geothermal power generation, for which, however, sufficiently high temperatures of> 95 ° C are a prerequisite.
  • Geothermal energy or geothermal energy is the total energy stored in the form of heat below the Earth's surface. While in the upper 10 to 20 meters the
  • Object of the present invention is a thermal device for generating mechanical and / or
  • the temperature working range can be very low, so that the corresponding temperatures either natural
  • the respectively to be generated upper and / or lower temperature limit can or can be generated artificially due to the relatively low temperature gradient in a cost effective manner.
  • Hydraulic fluid used.
  • a preferred expansive / contractive medium results from the features of claim 4.
  • water is used or used as the working medium. It can be used as a generator unit known per se water turbine
  • Embodiment provided the features of claim 9. An advantageous embodiment results from the features of claim 10.
  • Figure 1 is a schematic representation of a thermal
  • FIG. 3 is a graphic representation of the expansion or
  • Figure 5 is a representation corresponding to Figure 2, but according to another embodiment of a thermal device according to the present invention.
  • the thermal device 10 illustrated in FIGS. 1 and 2 which serves to generate mechanical and / or electrical energy by utilizing or applying a relatively low temperature gradient in the low-temperature region, has a pressure vessel 11, a reservoir 15 and a generator unit 20 , by means of which mechanical and / or electrical energy is generated.
  • the pressure vessel 11 is with an expansive and
  • expansion medium 12 contractive medium, hereinafter referred to as expansion medium 12, and filled with a working medium 13.
  • Both the expansion medium 12 and the working medium 13 are liquid in the embodiment, wherein the expansion medium 12 in complete contraction in a solid phase
  • the water is in the pressure vessel 11 above the expansion medium 12 to prevent mixing of the two media 12 and 13.
  • Expansion medium is a medium used, which reaches its greatest expansion or contraction in the phase transformation or in the phase transition from solid to liquid and vice versa. While Figure 1 the output state, that is the
  • the pressure vessel 11 is connected via a connecting pressure line 21 to the input of the generator unit 20, which is shown here in the form of a water turbine 22 provided with a paddle wheel 23.
  • the connecting pressure line 21 ends with its outlet nozzle 24 within a housing 25 of the
  • Producer unit 20 and is directed to the turbine wheel 23.
  • Connecting pressure line 21 for the working fluid 13 is provided with a check valve 26, the only one
  • the reservoir 15 is by means of a first
  • Producer unit 20 connected such that the interior of the housing 25 is connected to the reservoir 15.
  • first connection line 16 or as shown here in the second connection line 17 is a second
  • Expansion medium 12 is substantially depressurized or
  • Device 10 according to FIGS. 1 and 2 is the following:
  • Expansion medium 12 at bspw. a temperature of + 5 ° C in an initial state in which the expansion medium 12 has its smallest volume, possibly in a solid state.
  • a temperature of, for example, + 7 ° C can be selected, in which the
  • expansion medium 12 may be low, it does not
  • Working medium 13 is greater than the volume difference
  • Pressure vessel 11 takes place. At a certain selected pressure within the pressure vessel 11 opens the first
  • FIG. 2 This is shown in FIG. 2 in a final state in which, for example, at 15 ° C., the maximum expansion of the
  • Expansion medium 12 is reached.
  • the working fluid 13, which drives the turbine wheel 23, collects in the housing 25 of the turbine 22 and flows through the second connecting line 17 into the reservoir 15, the water level thereby increases because the second check valve 18 is closed due to the pressure within the pressure vessel 11 ,
  • hermetically sealed pressure vessel 11 leads. At a certain selected negative pressure within the pressure vessel 11 opens the second check valve 18 (and the first
  • the pressureless pressure vessel 11 is filled with the working fluid water accordingly, so that after cooling from + 15 ° C to, for example, + 7 ° C of the expansion medium 12, the initial state of FIG.
  • the temperature gradient which is in the range of
  • two or more pressure vessels 11 may be provided including their connecting lines 21 to the generator unit 20, so that a continuous driving of the generator unit 20 is possible due to the time-shifted operation of the expansion medium 12 in each of the pressure vessels 11 is.
  • the heating or cooling of the expansion medium 12 to the upper and lower temperature value can either by
  • Figure 4 shows a second embodiment of the present invention, in which the working medium 13 has a higher density than the expansion medium 12, which means that the stratification of the two media 12 and 13 is such that the working fluid 13 in the bottom of the pressure vessel 11 'and the Expansion medium 12 is arranged above it.
  • This also means that both the connecting line 21 to the generator unit 20 and the first connecting line 16 from the reservoir 15 'in the pressure vessel 11' through the expansion medium 12 into the lower and
  • the volume of the working medium 13 is greater than the volume difference between the volume of the expansion medium 12 in the initial state and the volume in the fully expanded state.
  • FIG. 4 also shows an embodiment of FIG
  • Pressure vessel 11 'and / or reservoir 15' which can be selected both in the embodiment of Figure 4 and in the embodiment of Figures 1 and 2.
  • the reservoir 15 ' which is provided in both embodiments with a vent opening 19 or 19' to hold the reservoir pressure-free, equipped with heat transfer elements, that is, cooling coils 28, the active lowering or holding the
  • Reservoir 15 'metal mesh 29 may be preferably made of copper.
  • a heat-conducting metal fabric 31 made of preferably copper is arranged in the pressure vessel 11 within a region of the expansion medium 12 facing away from the working medium 13.
  • Immersion medium 12 immersed preferably as deep as the expansion medium 12 reaches in the initial state.
  • the pressure jacket 34 of the pressure vessel 11 is surrounded by a thermal insulation 35 and this in turn by a hermetically sealed outer shell 36.
  • Producer unit 20 a corresponding plurality of such pressure vessel 11 'and possibly also reservoir 15'
  • expansion medium 12 in a manner not shown between expansion medium 12 and
  • Figure 5 shows a third embodiment of a
  • Thermal device 10 "of the present invention in which the expansion medium 12 ⁇ simultaneously acts as a working medium, which means that within the thermal
  • FIG. 5 shows, according to the representation of Figure 2, the expansion state of the expansion medium 12 ⁇ and thus the working state.
  • Expansion fluid 12 ⁇ is liquid
  • the check valve 26 opens in the connecting pressure line 21 and the nozzle 24 to the impeller 23 of the turbine 22 of the generator unit 20th flows and drives them rotating.
  • Expansion medium 12 x is returned by the generator unit 20 in the reservoir 15 'and there first
  • the expansion medium 12 x in the pressure vessel 11 "shut down to the lower temperature, that is cooled, the expansion medium 12 is in its volume
  • the expansion medium 12 corresponds to the expansion medium 12 described above, so that in terms of
  • the reservoir 15 "of the thermal device 10" corresponds to the reservoir 15 ⁇ of the second
  • Pressure vessel 11 may be provided with heat-conducting metal fabric 29 and 31, respectively.
  • Expansion cycle is located and vice versa. It is understood that more than two such systems consisting of pressure vessel and possibly reservoir can be used. In order to shorten the cycle time in addition, is driven with higher inlet temperatures from the outside to bring the required working temperature due to time delay by overcoming the wall thickness of the pressure vessel, quickly to the expansion medium.
  • Hydraulic motor acts as a generator unit 20.
  • Hydraulic fluid may be, for example, an HFC fluid comprising diethylene glycol and water.

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Abstract

Eine thermische Einrichtung (10) zum Erzeugen von mechanischer und/oder elektrischer Energie, soll mit erheblich geringeren Temperaturen und Temperaturgradienten auskommen, wobei entweder natürlich vorhandene oder entsprechend erzeugte Temperaturgradienten zur Anwendung kommen können. Um dies zu erreichen ist ein thermisch expansives und kontraktives Medium (12) in einem abwechselnd mit zwei unterschiedlichen Temperaturwerten beaufschlagbaren Druckbehälter (11) und ein Arbeitsmedium (13), teilweise in axialer Schichtung mit dem thermisch expansiven/kontraktiven Medium im Druckbehälter (11) und teilweise in einem mit dem Druckbehälter (11) verbundenen Vorratsbehälter (15) vorgesehen, wobei zwischen dem das Arbeitsmedium (13) aufnehmenden Bereich des Druckbehälters (11) und dem Vorratsbehälter (15) eine vom Arbeitsmedium (13) angetriebene Erzeugereinheit (20) für mechanische und/oder elektrische Energie vorgesehen ist.

Description

Thermische Einrichtung zum Erzeugen von mechanischer und/oder elektrischer Energie
Besehreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine thermische Einrichtung zum Erzeugen von mechanischer und/oder
elektrischer Energie.
Die Ausnutzung von beispielsweise Erdwärme ist bei der sogenannten geothermischen Stromerzeugung bekannt, für die jedoch ausreichend hohe Temperaturen von > 95°C Voraussetzung sind .
Als Geothermie oder Erdwärme bezeichnet man die gesamte, unterhalb der Erdoberfläche in Form von Wärme gespeicherte Energie. Während in den oberen 10 bis 20 Metern die
Temperaturen mit durchschnittlich 10 bis 12°C verhältnismäßig gering sind, macht sich mit zunehmender Tiefe der Einfluss des gewaltigen Wärmestroms aus dem Erdinneren bemerkbar. Pro hundert Meter Tiefe steigt die Temperatur dabei um etwa 3°C an. Im Erdkern selbst werden Temperaturen von 5000 bis 6000°C vermutet. Dies bedeutet, dass bei der geothermischen
Stromerzeugung erhebliche Tiefen von etwa 3000 bis 4000 Meter erschlossen werden müssen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine thermische Einrichtung zum Erzeugen von mechanischer und/oder
elektrischer Energie vorzugschlagen, die mit erheblich geringeren Temperaturen und Temperaturgradienten auskommt, wobei entweder natürlich vorhandene oder entsprechende erzeugte Temperaturgradienten zur Anwendung kommen können.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einer thermischen Einrichtung zum Erzeugen von mechanischer und/oder
elektrischer Energie der genannten Art die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale vorgesehen.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ist erreicht, dass der Temperaturarbeitsbereich sehr gering sein kann, so dass die entsprechenden Temperaturen entweder aus natürlich
vorhandenen Ressourcen ohne größeren Aufwand entnommen oder entsprechend erzeugt werden können. Dabei kann es ausreichend sein, wenn entweder die höhere oder die niedrigere Temperatur aus einer natürlich vorhandenen Ressource übertragen wird. All dies kann beispielsweise durch direkte
Sonneneinstrahlung, durch die Ausnutzung von Tages- und
Nachttemperatur, durch die Temperaturunterschiede zwischen Meer und Land oder Meer und Oberflächenwasser und auch durch Temperaturunterschiede zwischen Fluss und Land oder
dergleichen erreicht werden. Die jeweils zu erzeugende obere und/oder untere Temperaturgrenze kann bzw. können aufgrund des relativ geringen Temperaturgradienten in kostengünstiger Weise künstlich erzeugt werden.
Zwei alternative Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den Merkmalen des Anspruchs 2 bzw. denen des Anspruchs 3. Im einen Fall wird das Expansionsmedium gleichzeitig als
Arbeitsmedium verwendet und im anderen Fall wird ein
separates Arbeitsmedium, bspw. Wasser oder eine
Hydraulikflüssigkeit eingesetzt.
Ein bevorzugtes expansives/kontraktives Medium ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 4.
Um eine Vermischung von Expansionsmedium und Arbeitsmedium zu vermeiden, sind die Merkmale nach Anspruch 5 vorgesehen.
Dabei ist es von Bedeutung, die Merkmale nach Anspruch 6 vorzusehen, um zu gewährleisten, dass ausschließlich das Arbeitsmedium den Druckbehälter während des
Expansionsvorgangs in Richtung der Erzeugereinheit verlässt.
In besonders bevorzugter Weise wird als Arbeitsmedium Wasser eingesetzt bzw. verwendet. Dabei kann als Erzeugereinheit eine an sich bekannte Wasserturbine eingesetzt werden
(Anspruch 7) .
Es ist aber auch vorteilhaft, eine Hydraulikflüssigkeit als Arbeitsmedium zu verwenden, die beziehungsweise das dann einem Hydraulikmotor antreibt.
Zur einfachen Steuerung des Wasserstromes aus dem
Druckbehälter zur Erzeugereinheit und aus dem Vorratsbehälter in den Druckbehälter sind in bevorzugter Weise die Merkmale nach Anspruch 8 vorgesehen, so dass konstruktiv einfache Elemente vorgesehen werden können. Dabei sind diese
Rückschlagventile innerhalb der thermischen Einrichtung die einzigen mechanisch bewegbaren Elemente.
Um eine relativ schnelle Änderung der Temperaturen bzw. ein schnelles Erreichen des jeweils oberen bzw. unteren
Temperaturwertes, sind gemäß einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel die Merkmale nach Anspruch 9 vorgesehen. Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 10.
Vorteilhafte Arbeitsbereiche ergeben sich gemäß den Merkmalen nach Anspruch 11.
Mit den Merkmalen nach Anspruch 12 ist erreicht, dass die thermische Einrichtung unabhängig von der für die Erwärmung bzw. Abkühlung benötigten Zeit kontinuierlich betrieben werden kann. Weitere Einzelheiten der Erfindung sind der folgenden
Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert ist. Es zeigen:
Figur 1 in schematischer Darstellung eine thermische
Einrichtung zum Erzeugen von mechanischer und/oder elektrischer Energie gemäß einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung im
Ausgangs zustand, eine der Figur 1 entsprechende Darstellung der thermischen Einrichtung, jedoch im Arbeitszustand des Expansionsmediums,
Figur 3 eine grafische Darstellung der Expansion bzw.
Ausdehnung eines verwendeten Expansionsmediums in Abhängigkeit von der Temperatur, eine der Figur 2 entsprechende Darstellung einer thermischen Einrichtung, jedoch gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung, und
Figur 5 eine der Figur 2 entsprechende Darstellung, jedoch gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel einer thermischen Einrichtung gemäß vorliegender Erfindung .
Die in den Figuren 1 und 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel dargestellte thermische Einrichtung 10, die zum Erzeugen von mechanischer und/oder elektrischer Energie durch Ausnutzen bzw. Anwenden eines relativ geringen Temperaturgradienten im Niedertemperaturbereich dient, besitzt einen Druckbehälter 11, einen Vorratsbehälter 15 sowie eine Erzeugereinheit 20, mittels der mechanische und/oder elektrische Energie erzeugt wird . Der Druckbehälter 11 ist mit einem expansiven und
kontraktiven Medium, im Folgenden als Expansionsmedium 12 bezeichnet, sowie mit einem Arbeitsmedium 13 befüllt. Sowohl das Expansionsmedium 12 als auch das Arbeitsmedium 13 sind beim Ausführungsbeispiel flüssig, wobei das Expansionsmedium 12 bei vollständiger Kontraktion in eine feste Phase
übergehen kann. Als Arbeitsmedium 13 ist beim
Ausführungsführungsbeispiel Wasser verwendet. Da bei diesem Ausführungsbeispiel das Expansionsmedium 12 eine höhere
Dichte als das für das Arbeitsmedium 13 verwendete Wasser aufweist, befindet sich das Wasser im Druckbehälter 11 über dem Expansionsmedium 12, um ein Vermischen der beiden Medien 12 und 13 zu verhindern. Die prozentuale Expansion bzw.
Ausdehnung des Expansionsmedium 12 in Abhängigkeit von seiner Temperatur ist in Figur 3 beispielhaft dargestellt. Als
Expansionsmedium ist ein Medium verwendet, das seine größte Expansion bzw. Kontraktion bei der Phasenumwandlung bzw. beim Phasenübergang von fest zu flüssig und umgekehrt erreicht. Während Figur 1 den Ausgangs zustand, das heißt den
Kontraktionszustand des Expansionsmediums 12 darstellt, zeigt Figur 2 den Expansionszustand des Expansionsmediums 12 innerhalb des Druckbehälters 11.
Der Druckbehälter 11 ist über eine Verbindungsdruckleitung 21 mit dem Eingang der Erzeugereinheit 20 verbunden, die hier in Form einer mit einem Schaufelrad 23 versehenen Wasserturbine 22 dargestellt ist. Die Verbindungsdruckleitung 21 endet mit ihrer Auslaufdüse 24 innerhalb eines Gehäuses 25 der
Erzeugereinheit 20 und ist auf das Turbinenrad 23 gerichtet.
Ausgangsseitig des Druckbehälters 11 ist die
Verbindungsdruckleitung 21 für das Arbeitsmedium 13 mit einem Rückschlagventil 26 versehen, das lediglich eine
Strömungsverbindung vom Druckbehälter 11 zur Erzeugereinheit 20 unter einem bestimmten Druck des Arbeitsmediums 13
zulässt .
Der Vorratsbehälter 15 ist mittels einer ersten
Verbindungsleitung 16 mit dem Druckbehälter 11 und mittels einer zweiten Verbindungsleitung 17 mit dem Ausgang der
Erzeugereinheit 20 derart verbunden, dass der Innenraum des Gehäuses 25 mit dem Vorratsbehälter 15 verbunden ist. In der ersten Verbindungsleitung 16 oder wie hier dargestellt in der zweiten Verbindungsleitung 17 ist ein zweites
Rückschlagventil 18 vorgesehen, das ausschließlich eine
Strömungsverbindung aus dem Gehäuse 25 in den Vorratsbehälter 15 bzw. in den Druckbehälter 11 zulässt und zwar
ausschließlich dann, wenn der Druckbehälter 11 im
Ausgangszustand, d.h. im Kontraktionszustand des
Expansionsmedium 12 im Wesentlichen drucklos ist bzw.
aufgrund der Kontraktion des Expansionsmediums 12 sich im Unterdruck befindet oder am Übergang zum Unterdruck ist.
Die Wirkungsweise bzw. Arbeitsweise der thermischen
Einrichtung 10 gemäß den Figuren 1 und 2 ist folgende:
Wie sich aus Figur 3 ergibt, befindet sich das
Expansionsmedium 12 bei bspw . einer Temperatur von + 5°C in einem Ausgangszustand, in welchem das Expansionsmedium 12 sein kleinstes Volumen ggf. in einem festen Aggregatzustand besitzt. Für diesen Ausgangs- bzw. Kontraktionszustand der thermischen Einrichtung 10 kann auch eine Temperatur von beispielsweise + 7°C gewählt werden, in der das
Expansionsmedium 12 zwar ein geringes aber nicht sein
geringstes Volumen ggf. in schon flüssigem Aggregatzustand besitzt. Jedenfalls zeigt Figur 1 diesen Ausgangs- bzw.
Kontraktionszustand, gemäß welchem der Druckbehälter 11 drucklos mit dem Expansionsmedium 12 und dem Arbeitsmedium 13 vollständig gefüllt ist. Das gewählte Volumen des
Arbeitsmediums 13 ist größer als die Volumendifferenz
zwischen dem Volumen des Expansionsmediums 12 im Ausgangszustand und dem Volumen des Expansionsmediums 12 in vollständigem Expansionszustand, der ebenfalls im Bereich der Figur 3 gewählt werden kann. Mit anderen Worten,
beispielsweise wird bei einer oberen Temperaturgrenze von + 15°C eine Volumenerhöhung von beispielsweise etwa 17%
erreicht .
Wird nun dem Druckbehälter 11 ausgehend von einer Temperatur von beispielsweise + 7°C Wärme zugeführt, dann dehnt sich das Expansionsmedium 12 aus, wobei eine Druckerhöhung im
Druckbehälter 11 erfolgt. Bei einem bestimmten gewählten Druck innerhalb des Druckbehälters 11 öffnet das erste
Rückschlagventil 26, so dass unter weiterer Expansion des Expansionsmediums 12 und damit dessen Volumenvergrößerung das Arbeitsmedium 13, also Wasser, unter Druck durch die
Verbindungsdruckleitung 21 strömt und aufgrund weiterer
Druckerhöhung in der Düse 24 das Turbinenrad 23 antreibt, was zur Erzeugung mechanischer und ggf. elektrischer Energie führt. Dies zeigt Figur 2 in einem Endzustand, in welchem bei beispielsweise 15°C die maximale Expansion des
Expansionsmediums 12 erreicht ist. Das Arbeitsmedium 13, das das Turbinenrad 23 antreibt, sammelt sich im Gehäuse 25 der Turbine 22 und fließt durch die zweite Verbindungsleitung 17 in den Vorratsbehälter 15 ab, dessen Wasserspiegel dadurch steigt, da das zweite Rückschlagventil 18 aufgrund des Drucks innerhalb des Druckbehälters 11 geschlossen ist.
Durch eine nachfolgende (negative) Wärmeübertragung, das heißt Abkühlung des Expansionsmediums 12 erfolgt dessen
Kontraktion, was infolge davon zu einer Volumenverringerung des Expansionsmediums 12 und zu einem Unterdruck im
hermetisch geschlossenen Druckbehälter 11 führt. Bei einem bestimmten gewählten Unterdruck innerhalb des Druckbehälters 11 öffnet das zweite Rückschlagventil 18 (und das erste
Rückschlagventil 26 schließt) , so dass das Arbeitsmedium 13 aus dem Vorratsbehälter 15 nachströmen kann. Mit der Verringerung des Volumens des kontraktierenden
Expansionsmediums 12 wird der drucklose Druckbehälter 11 mit dem Arbeitsmedium Wasser entsprechend aufgefüllt, so dass sich nach Abkühlen von + 15°C auf beispielsweise + 7°C des Expansionsmediums 12 der Ausgangszustand gemäß Figur 1 einstellt. Der Temperaturgradient, der im Bereich von
mindestens 10°C liegt, kann sich in einem Temperaturbereich zwischen mindestens +5°C, vorzugsweise mindestens +10°C, und maximal +50°C, vorzugsweise maximal +35°C einstellen.
Da zum Erreichen des oberen Temperaturwertes für die maximale Expansion und zum Erreichen des unteren Temperaturwertes für die maximale Kontraktion jeweils eine gewisse Zeit
verstreicht, würde sich mit nur einem Druckbehälter 11 keine kontinuierliche Arbeitsweise der Erzeugereinheit 20 ergeben. Aus diesem Grunde können in nicht dargestellter Weise bei einer derartigen thermischen Einrichtung 10 zwei oder mehr Druckbehälter 11 einschließlich ihrer Verbindungsleitungen 21 zur Erzeugereinheit 20 vorgesehen sein, so dass aufgrund der zeitverschobenen Arbeitsweise des Expansionsmediums 12 in jedem der Druckbehälter 11 ein kontinuierliches Antreiben der Erzeugereinheit 20 möglich ist.
Das Erwärmen bzw. Abkühlen des Expansionsmediums 12 auf den oberen bzw. unteren Temperaturwert kann entweder durch
Ausnutzen natürlicher Temperaturgradienten, wie im Erdreich in verschiedenen Tiefen vorhanden, erfolgen oder durch ausschließliche künstliche Erzeugung dieser Temperaturen oder durch eine Kombination aus natürlicher Ressource und
künstlich erzeugter Wärme bzw. Kälte.
Figur 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung, bei dem das Arbeitsmedium 13 eine höhere Dichte als das Expansionsmedium 12 aufweist, was bedeutet, dass die Schichtung der beiden Medien 12 und 13 derart ist, dass das Arbeitsmedium 13 bodenseitig im Druckbehälter 11' und das Expansionsmedium 12 darüberliegend angeordnet ist. Dies bedeutet auch, dass sowohl die Verbindungsleitung 21 zur Erzeugereinheit 20 als auch die erste Verbindungsleitung 16 vom Vorratsbehälter 15' in den Druckbehälter 11' durch das Expansionsmedium 12 hindurch in den unteren bzw.
bodenseitigen Bereich des Druckbehälters 11' führt. Auch hierbei ist wichtig, dass das Volumen des Arbeitsmediums 13 größer ist als die Volumendifferenz zwischen dem Volumen des Expansionsmediums 12 im Ausgangszustand und dem Volumen im vollständig expandierten Zustand.
Figur 4 zeigt darüber hinaus eine Ausgestaltung von
Druckbehälter 11' und/oder Vorratsbehälter 15', die sowohl bei der Ausführungsform nach der Figur 4 als auch bei der Ausführungsform nach den Figuren 1 und 2 gewählt werden kann.
Gemäß Figur 4 ist der Vorratsbehälter 15', der bei beiden Ausführungsformen mit einer Entlüftungsöffnung 19 bzw. 19' versehen ist, um den Vorratsbehälter drucklos zu halten, mit Wärmeübertragungselementen, das heißt Kühlschlangen 28 bestückt, die ein aktives Absenken oder Halten der
betreffenden Temperatur des Arbeitsmediums 13 gewährleisten. Um eine Vergleichmäßigung bzw. Beschleunigung der
Wärmeübertragung von den Kühlschlangen 28 auf das bzw.
innerhalb des Arbeitsmediums 13 zu erreichen, können im
Vorratsbehälter 15' Metallgewebe 29 vorzugsweise aus Kupfer eingebracht sein.
Entsprechend und zu demselben Zweck ist im Druckbehälter 11 innerhalb eines dem Arbeitsmedium 13 abgewandten Bereichs des Expansionsmediums 12 ein wärmeleitendes Metallgewebe 31 aus vorzugsweise Kupfer angeordnet. Darüber hinaus sind innerhalb des Druckbehälters 11' Wärmeübertragungselemente 32 im
Expansionsmedium 12 eingetaucht, und zwar vorzugsweise so tief, wie das Expansionsmedium 12 im Ausgangszustand reicht. Des weiteren ist der Mantel 34 des Druckbehälters 11' von spiralig angeordneten Wärmeübertragungselementen 33 umgeben, die wie die Wärmeübertragungselemente 32 von einem auf entsprechende Temperatur gebrachten Wärmeübertragungsmedium durchströmt werden. Des weiteren ist der Druckmantel 34 des Druckbehälters 11 von einer Wärmeisolierung 35 und diese wiederum von einem hermetisch abgedichteten Außenmantel 36 umgeben .
Es versteht sich, dass auch für dieses Ausführungsbeispiel gilt, dass für einen kontinuierlichen Antrieb der
Erzeugereinheit 20 eine entsprechende Vielzahl derartiger Druckbehälter 11' und ggf. auch Vorratsbehälter 15'
vorgesehen sind.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann in nicht dargestellter Weise zwischen Expansionsmedium 12 und
Arbeitsmedium 13 eine im Druckbehälter auf und ab bewegbar gehaltene Trennscheibe vorgesehen sein, deren
Querschnittsfläche gleich der des Druckbehälters 11 bzw. 11' ist .
Figur 5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer
thermischen Einrichtung 10" vorliegender Erfindung, bei dem das Expansionsmedium 12 λ gleichzeitig als Arbeitsmedium fungiert, was bedeutet, dass innerhalb der thermischen
Einrichtung 10" ausschließlich das Expansionsmedium 12 λ vorhanden ist. Die Figur 5 zeigt entsprechend der Darstellung der Figur 2 den Expansionszustand des Expansionsmediums 12 Λ und damit den Arbeitszustand.
Mit anderen Worten, in vollständig expandiertem Zustand füllt das Expansionsmedium 12 den Druckbehälter 11" vollständig aus, so dass in diesem expandierten Zustand das
Expansionsmedium 12 λ flüssig ist, das Rückschlagventil 26 in der Verbindungsdruckleitung 21 öffnet und über die Düse 24 auf das Schaufelrad 23 der Turbine 22 der Erzeugereinheit 20 strömt und diese rotierend antreibt. Das flüssige
Expansionsmedium 12 x wird von der Erzeugereinheit 20 in den Vorratsbehälter 15 ' zurückgeführt und dort zunächst
aufgefangen .
Wird das Expansionsmedium 12 x im Druckbehälter 11" auf die niedere Temperatur heruntergefahren, das heißt abgekühlt, wird sich das Expansionsmedium 12 in seinem Volumen
verringern, so dass im Druckbehälter 11" ein Vakuum entsteht, das zum Schließen des ersten Rückschlagventil 26 und zum Öffnen des zweiten Rückschlagventils 18 in ersten
Verbindungsleitung 16 zwischen Vorratsbehälter 15" und
Druckbehälter 11" führt. Dadurch kann aus dem Vorratsbehälter 15" das Expansionsmedium 12 λ in den Druckbehälter 11"
nachströmen .
Das Expansionsmedium 12 entspricht dem zuvor beschriebenen Expansionsmedium 12, so dass hinsichtlich dessen
Eigenschaften hierauf verwiesen werden kann. Entsprechendes gilt für das Erwärmen und Abkühlen bzw. deren jeweilige
Temperatur und Temperaturgradient.
Der Vorratsbehälter 15" der thermischen Einrichtung 10" entspricht dem Vorratsbehälter 15 Λ des zweiten
Ausführungsbeispiels gemäß Figur 4, so dass zu dessen
Beschreibung hierauf verwiesen werden kann. Entsprechendes gilt für den Druckbehälter 11", der wie der Druckbehälter 11 nach Figur 4 mit Wärmeübertragungselementen 32 und/oder 33 sowie mit einer Wärmeisolierung 35 versehen ist.
Beim dritten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 ist die
Verbindungsdruckleitung 21 zwischen dem Druckbehälter 11" und der Erzeugereinheit 20 mit einer Außenisolierung 38 sowie in nicht dargestellter Weise mit einer Dauervorwärmvorrichtung versehen, die ein Abkühlen des Expansionsmediums 12 während des Arbeitszyklus verhindert. Vorratsbehälter 15" und/oder Druckbehälter 11" können mit wärmeleitendem Metallgewebe 29 bzw. 31 versehen sein.
Auch bei diesem dritten Ausführungsbeispiel gilt, dass für einen kontinuierlichen Antrieb der Erzeugereinheit 20 eine entsprechende Vielzahl von Druckbehältern 11" und
gegebenenfalls auch Vorratsbehältern 15" vorgesehen sind.
Beispielsweise erfolgt dies derart, dass dann, wenn das erste System den Expansionszyklus beendet hat und von warm zu kalt umschaltet, währenddessen das zweite System mitten im
Expansionszyklus sich befindet und umgekehrt. Es versteht sich, dass auch mehr als zwei derartiger Systeme, bestehend aus Druckbehälter sowie ggf. Vorratsbehälter, eingesetzt werden können. Um dabei die Taktzeit zusätzlich zu verkürzen, wird mit höheren Zulauftemperaturen von außen gefahren, um die erforderliche Arbeitstemperatur aufgrund Zeitverzögerung durch Überwindung der Wandstärke des Druckbehälters, schnell zum Expansionsmedium zu bringen. Die Zuführung der
erforderlichen Temperaturen kann über separate
Speicherbehälter erfolgen.
Wenn auch bei den vorgenannten Ausführungsbeispielen als Arbeitsmedium 13 Wasser verwendet wird, kann es vorteilhaft sein, statt dessen eine Hydraulikflüssigkeit als
Arbeitsmedium 13 einzusetzen, die dann auf einen
Hydraulikmotor als Erzeugereinheit 20 wirkt. Die
Hydraulikflüssigkeit kann beispielsweise ein HFC-Fluid sein, das Diethylenglykol und Wasser aufweist.

Claims

Patentansprüche
Thermische Einrichtung (10) zum Erzeugen von
mechanischer und/oder elektrischer Energie,
gekennzeichnet durch ein thermisch expansives und kontraktives Medium (12) in einem abwechselnd mit zwei unterschiedlichen Temperaturwerten beaufschlagbaren Druckbehälter (11), wobei das Medium (12) im
Expansionszustand flüssig ist, und mit einem mit dem Druckbehälter (11) verbundenen Vorratsbehälter (15), der auslaufseitig mit dem Druckbehälter (11) verbunden ist, wobei zwischen dem Ausgang des Druckbehälters (11) und dem ulaufseifigen Ende des Vorratsbehälters (15) eine durch die Expansions des Mediums (12) unmittelbar oder mittelbar angetriebene Erzeugereinheit (20) für
mechanische und/oder elektrische Energie vorgesehen ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das thermisch expansive/kontraktive Medium (12) im druckbeaufschlagten Expansionszustand den Druckbehälter (11) vollständig derart ausfüllt, dass es die
Erzeugereinheit (20) unmittelbar antreibt.
Einrichtung (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet ferner durch ein flüssiges Arbeitsmedium (13), das teilweise in axialer Schichtung mit dem thermisch
expansiven/kontraktiven Medium (12) im Druckbehälter (11) und teilweise in dem mit dem Druckbehälter (11) verbundenen Vorratsbehälter (15) vorgesehen ist, wobei zwischen dem das Arbeitsmedium (13) aufnehmenden Bereich des Druckbehälters (11) und dem Vorratsbehälter (15) die vom Arbeitsmedium (13) angetriebene Erzeugereinheit (20) vorgesehen ist.
4. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das thermisch
expansive/kontraktive Medium (12) ein solches ist, das seine maximale Expansion/Kontraktion bei seiner
Phasenumwandlung bzw. seinen Phasenübergang von fest zu flüssig bzw. umgekehrt erreicht.
5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch
gekennzeichnet, dass die Dichte des thermisch
expansiven/kontraktiven Mediums (12) bei den verwendeten Temperaturen ungleich der Dichte des Arbeitsmediums (13) ist .
6. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des
Arbeitsmediums (13) vorzugsweise in Form von Wasser oder einer Hydraulikflüssigkeit, größer als das
Expansionsvolumen des expansiven/ kontraktiven Medium (12) ist.
7. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Erzeugereinheit (20) eine Turbine (22) aufweist und dass das auf die Erzeugereinheit (20) gerichtete Ende der das unter Druck stehende Medium (12) oder das
druckbeaufschlagte Arbeitsmedium (13) führenden
Verbindung (21) von Druckbehälter (11) zur
Erzeugereinheit (20) düsenartig ausgebildet ist.
8. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder der das Medium (12) oder das Arbeitsmedium (13) führenden
Verbindungen (16, 17, 21) zwischen Vorratsbehälter (15) und Druckbehälter (11) sowie zwischen Druckbehälter (11) und Erzeugereinheit (20) ein Rückschlagventil (18, 26) angeordnet ist.
9. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der
Druckbehälter (11) mit Wärmeübertragungselementen (32, 33) versehen ist, die auf den Bereich des oberen oder unteren Temperaturwertes gebracht werden.
10. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des das expansive/ kontraktive Medium (12) aufnehmenden Raumes des Druckbehälters (11) ein wärmeleitendes Gewebe (31), vorzugsweise Kupfergewebe vorgesehen ist.
11. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz zwischen dem oberen und dem unteren Temperaturwert bei mindestens etwa 10°C in einem Temperaturbereich zwischen mindestens + 5°C und maximal + 50°C liegt, vorzugsweise zwischen mindestens 10°C und maximal +35°C.
12. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere
Druckbehälter (11) vorgesehen sind, die in
zeitabhängigem Abstand voneinander entsprechend
temperaturbeaufschlagbar sind und deren das
druckbeaufschlagte Arbeitsmedium (13) führenden
Verbindungen (21) auf dieselbe Erzeugereinheit (20) gerichtet sind.
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