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1. WO2020126837 - THERMODYNAMISCHER KREISPROZESS ZUR ERZEUGUNG VON DRUCKLUFT

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

[ DE ]

Thermodynamischer Kreisprozess zur Erzeugung von Druckluft

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen thermodynamischer Kreisprozess zur Erzeugung von Druckluft mit einem Verdampfer, in dem ein Arbeitsmedium in flüssiger Phase und in Dampfphase vorliegt, mit einem dampfbetriebenen Kompressor (13), dem das Arbeitsmedium als Dampf vom Verdampfer her zuströmt, mit einem Kondensor zur Abkühlung und Verflüssigung des Arbeitsmediums nach dem Verlassen des Kompressors und mit einer Speisepumpe, die das im Kondensor verflüssigte Arbeitsmedium zurück zum Verdampfer fördert.

Ein derartiger thermodynamischer Kreisprozess zur Erzeugung von Druckluft ist aus der WO 89/08188 Al bekannt. Innerhalb des aus der genannten Schrift bekannten thermodynami schen Kreisprozesses wird ein dampfbetriebener doppeltwirkender Kompressor benutzt, bei dem das Innere des Gehäuses in zwei Sektionen unterteilt, wobei ein erster formfester Kol ben die eine Sektion in eine Arbeitskammer und in eine Verdichterkammer und ein zweiter formfester Kolben die andere Sektion in eine Arbeitskammer und in eine Verdichterkammer aufteilt und wobei die beiden Kolben durch eine Kolbenstange, die dicht durch einen Mittelteil des Gehäuses hindurch von der einen Sektion zur anderen Sektion geführt ist, miteinander verbunden sind.

In der WO 89/08188 wird darauf hingewiesen, dass die Energiequelle für die Erwärmung Abwärme oder Solarwärme sein kann.

Der Erfindung liegt die Zielsetzung zugrunde, den bekannten thermodynamischen Kreispro zess zu verbessern.

Das verfolgte Ziel wird bei einem thermodynamischen Kreisprozess mit den eingangs ange führten Merkmalen dadurch erreicht, dass zwischen dem Kondensor und dem Verdampfer

ein Vorwärmer angeordnet ist, in dem eine Wärmeübertragung von der vom Kompressor erzeugten Druckluft und dem flüssigen Arbeitsmedium stattfindet. Bei der Komprimierung im Kompressor wird die erzeugte Druckluft erhitzt. Die komprimierte und erhitzte Druckluft wird durch den Vorwärmer geführt, durch den auch das von der Speisepumpe geförderte flüssige Arbeitsmedium strömt. Einerseits wird in dem Vorwärmer das flüssige Arbeitsmittel vorge wärmt. Andererseits wird in dem Vorwärmer die Druckluft abgekühlt, so dass nur wenig Wärme in das Druckluftsystem eingebracht wird.

Ein erfindungsgemäßer thermodynamischer Kreisprozess kann in vorteilhafter Weise weiter ausgestaltet werden.

Vorteilhafterweise ist das Arbeitsmedium ein hochmolekulares organisches Arbeitsmedium, dessen Siedepunkt niedriger ist als der Siedepunkt von Wasser.

Mit einem hochmolekularen organischen Arbeitsmedium, dessen Siedepunkt niedriger als der Siedepunkt von Wasser ist, bietet sich die Möglichkeit das Arbeitsmedium auch durch Abwärme aus einem industriellen Prozess, die nur eine Temperatur von zum Beispiel 80 oder 100 Grad Celsius hat, über die Siedetemperatur hinaus zu erwärmen.

Der Vorwärmer ist vorteilhafterweise zwischen der Speisepumpe und dem Verdampfer an geordnet, da dann das durch die Speisepumpe strömende Arbeitsmedium noch kühl ist.

Der Vorwärmer kann eine Rohrschlange enthalten, durch die das Arbeitsmedium fließt und die von der Druckluft umspült ist.

Es ist günstig, wenn der Kompressor ein doppeltwirkender Kompressor mit mehreren relativ zu einem Gehäuse gemeinsam geradlinig bewegbaren Kolben ist. In jedem halben Bewe gungszyklus wird dann Druckluft gefördert.

Die Kolben des Kompressors können formfeste Kolben oder verformbare Membrane sein.

Zwei Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen thermodynamischen Kreisprozesses zur Erzeugung von Druckluft sind in den Zeichnungen dargestellt. Anhand der Figuren dieser Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert.

Es zeigen

Figur 1 in stark vereinfachter Darstellung das erste Ausführungsbeispiel mit einem Kompres sor mit formfesten Kolben und

Figur 2 in stark vereinfachter Darstellung das zweite Ausführungsbeispiel mit einem Kom pressor mit flexiblen Membranen als Kolben.

Die beiden in den Figuren gezeigten thermodynamischen Kreisprozesse sind stark schema tisch dargestellt und sind jeweils ein sogenannter Organic Rankine Cycle (ORC). Der Name Organic Rankine Cycle leitet sich ab von dem britischen Physiker und Ingenieur William John Macquorn Rankine sowie von der Verwendung eines hochmolekularen organischen Ar beitsmediums mit einem Siedepunkt, der niedriger ist als der Siedepunkt von Wasser.

Der ORC umfasst einen Verdampfer 10, in dem das Arbeitsmedium in flüssiger Phase und in Dampfphase, die sich im Wesentlichen oberhalb der flüssigen Phase befindet, vorliegt. Die flüssige Phase wird von eine Wärmequelle 11, vorzugsweise von der Abwärme von Maschi nen oder Anlagen, bis über ihren Siedepunkt erwärmt, so dass sich in den beiden Phasen ein Druck einstellt, der über Atmosphärendruck liegt. Zum Beispiel kann ein Arbeitsmedium verwendet werden, dessen Siedepunkt bei 45 Grad Celsius liegt. Durch die Abwärme wird das Arbeitsmedium zum Beispiel auf 80 Grad Celsius erwärmt. Entsprechend dieser Erwär mung auf 80 Grad stellt sich ein bestimmter Dampfdruck von zum Beispiel 3 bar ein. Durch eine zick-zack-Linie ist angedeutet, wie das Arbeitsmedium innerhalb des Verdampfers auf steigt. Über ein Rohr 12 gelangt der unter Druck stehende Dampf zu einem doppeltwirken den Kompressor 13, in dem von dem Dampf Arbeit geleistet wird, um Luft zu komprimieren, um also Druckluft zu erzeugen und in ein Druckluftsystem einzuspeisen. Von dem Kompres sor 13 gelangt der expandierte Dampf über ein Rohr 14 zu einem Kondensor 15, in dem das Arbeitsmedium gekühlt wird und verflüssigt wird. Eine Speisepumpe 16 fördert das flüssige Arbeitsmedium zurück in den Verdampfer 10. Das von der Speisepumpe 16 geförderte Ar beitsmedium fließt dabei zunächst in einer Rohrschlange 19 durch einen Vorwärmer 18 und dann dem Verdampfer 10 zu. Der Vorwärmer 18 ist also zwischen der Speisepumpe 16 und dem Verdampfer 10 angeordnet, so dass durch die Speisepumpe 16 das kühle Arbeitsmedi um fließt.

Bei der Komprimierung im Kompressor wird die erzeugte Druckluft erhitzt. Die komprimierte und erhitzte Druckluft wird über ein Rohr 19 zu dem Vorwärmer 18 geführt, durch den in der Rohrschlange 17 auch das von der Speisepumpe 16 geförderte flüssige Arbeitsmedium strömt. In dem Vorwärmer 18 umspült die Druckluft die Rohrschlange 19, ehe sie den Vor wärmer 18 verlässt und zu einem Druckluftbehälter gelangt. Einerseits wird in dem Vorwär mer 18 das flüssige Arbeitsmittel vorgewärmt. Andererseits wird in dem Vorwärmer 18 die Druckluft abgekühlt, so dass nur wenig Wärme in das Druckluftsystem eingebracht wird.

Der doppeltwirkende Kompressor 13 gemäß Figur 1 hat ein druckfestes Gehäuse 30 mit einem mittleren Gehäuseteil 31, dessen Inneres durch einen formfesten Arbeitskolben 32 in eine erste Arbeitskammer 33 und in eine zweite Arbeitskammer 34 aufgeteilt ist. Die Arbeits kammer 33 ist über ein Zulaufventil 35, das in einer Stellung geschlossen und in einer zwei ten Stellung geöffnet ist und das zum Beispiel elektromagnetisch von einer Stellung, die es unter der Wirkung einer Feder einnimmt, in die andere Stellung betätigbar ist, an einen im Gehäuse 30 verlaufenden Kanal angeschlossen, der mit dem Rohr 12 verbunden ist. Die Arbeitskammer 34 ist über ein Zulaufventil 36, das genauso wie das Zulaufventil 35 ausge bildet ist, an den mit dem Rohr 12 verbundenen Kanal angeschlossen. Die Arbeitskammer 33 ist außerdem über ein Ablaufventil 37, das in einer Stellung geschlossen und in einer zweiten Stellung geöffnet ist und das zum Beispiel elektromagnetisch von einer Stellung, die es unter der Wirkung einer Feder einnimmt, in die andere Stellung betätigbar ist, an einen im Gehäuse 30 verlaufenden Kanal angeschlossen, der mit dem Rohr 14 verbunden ist. Die Arbeitskammer 34 ist außerdem über ein Ablaufventil 38, das genauso wie das Ablaufventil 37 ausgebildet ist, mit dem mit dem Rohr 14 verbundenen Kanal angeschlossen.

Der Kompressor 13 hat außerdem ein erstes seitliches Gehäuseteil 39 mit einem Innenraum, der durch einen ersten formfesten Verdichterkolben 40 in zwei Kammern aufgeteilt wird. Au ßerdem hat der Kompressor 13 ein zweites seitliches Gehäuseteil 41, das dem Gehäuseteil 39 bezüglich des mittleren Gehäuseteils 31 gegenüberliegt und dessen Innenraum durch einen zweiten formfesten Verdichterkolben 42 ebenfalls in zwei Kammern aufgeteilt ist. Jeder der Verdichterkolben 40 und 42 ist über eine Kolbenstange 43, die einseitig von ihm abgeht und die abgedichtet durch die Innenräume der drei Gehäuseteile voneinander trennende Wände hindurchgeführt ist, mit dem Arbeitskolben 32 fest verbunden. Die Kolbenstange 43 kann durch zwei einzelne Kolbenstangen, die einzeln fest mit dem Arbeitskolben 32 verbun den sind, oder durch eine einstückige Kolbenstange gebildet sein, die durch den Arbeitskol ben hindurchgeht und auf der der Arbeitskolben 32 fest sitzt. Alle drei Kolben 32, 40 und 42 sind somit gemeinsam in Richtung der der Achse der Kolbenstange 43 bewegbar im Gehäu-

se 30 geführt. Die beiden Verdichterkolben 40 und 42 haben denselben Außendurchmesser. Dieser ist kleiner als der Außendurchmesser des Arbeitskolbens 32.

Aufgrund des beschriebenen Aufbaus des Kompressors 13 aus Figur 1 hat die Kammer 44, die sich auf der der Kolbenstange 43 abgelegenen Seite des Arbeitskolbens 40 befindet, also die äußere Kammer ist, senkrecht zur Bewegungsrichtung der Kolben einen kreisschei benförmigen Querschnitt, während die gegenüberliegende, innere Kammer 45 einen ring förmigen Querschnitt hat. Ebenso hat die Kammer 46, die sich auf der der Kolbenstange 43 abgelegenen Seite des Arbeitskolbens 42 befindet, also die äußere Kammer ist, einen kreis scheibenförmigen Querschnitt, während die gegenüberliegende, innere Kammer 47 einen ringförmigen Querschnitt hat. Die beiden äußeren Kammern 44 und 46 werden als Verdich terkammern genutzt. Die Verdichterkammer 44 ist über ein Säugventil 50, das als zu ihr hin öffnendes Rückschlagventil ausgebildet ist, mit einem Lufteinlasskanal 51, und über ein Druckventil 52, das als zu ihr hin sperrendes Rückschlagventil ausgebildet ist, mit einem Luftauslasskanal 53 verbunden, an den das Rohr 14 angeschlossen ist. Die Verdichterkam mer 44 ist über ein Säugventil 54, das als zu ihr hin öffnendes Rückschlagventil ausgebildet ist, mit dem Lufteinlasskanal 51, und über ein Druckventil 55, das als zu ihr hin sperrendes Rückschlagventil ausgebildet ist, mit dem Luftauslasskanal 53 verbunden. Die Kammern 43 und 45 sind mit Atmosphäre verbunden.

Die beiden Arbeitskammern 33 und 34 haben in Bewegungsrichtung der Kolben jeweils ei nen ringförmigen Querschnitt, der jedoch größer als der Querschnitt der Verdichterkammern 42 und 45 ist.

Es sei zunächst angenommen, dass die beiden Zulaufventile 35 und 36 und die beiden Ab laufventile 37 und 38 geschlossen sind. Die Kolben 32, 40 und 42 stehen dann still.

Werden nun das der Arbeitskammer 33 zugehörige Zulaufventil 35 und das der Arbeitskam mer 34 zugehörige Ablaufventil 38 geöffnet, so strömt unter Druck stehender Dampf aus dem Verdampfer 10 und dem Rohr 12 in die Arbeitskammer 33 hinein. Durch den Druck wird an dem Arbeitskolben 32 eine Kraft erzeugt, die den Arbeitskolben und mit diesem auch die beiden Verdichterkolben 40 und 42 gemäß der Ansicht nach Figur 1 nach rechts bewegt. Durch den Verdichterkolben 42 wird die Verdichterkammer 46 verkleinert und aus dieser über das Druckventil 55 Luft in das Rohr 17 und weiter in den Druckluftbehälter verdrängt.

Die Luft ist dabei auf den im Druckluftbehälter herrschenden Druck verdichtet. Im Gegensatz dazu wird das Volumen der Verdichterkammer 44 vergrößert, so dass über das Säugventil 50 Luft einströmt. Sind die Kolben am Ende ihres Weges angelangt, so werden das Zulauf ventil 35 und das Ablaufventil 38 geschlossen und das Zulaufventil 36 und das Ablaufventil 37 geöffnet. Unter Druck stehender Dampf strömt nun aus dem Verdampfer 10 über das Rohr 12 in die Arbeitskammer 34. Durch den Druck wird an dem Arbeitskolben 32 eine Kraft erzeugt, die den Arbeitskolben und mit diesem auch die beiden Verdichterkolben 40 und 42 gemäß der Ansicht nach Figur 1 nach links bewegt. Durch den Verdichterkolben 40 wird die Verdichterkammer 44 verkleinert und dadurch die zuvor angesaugte Luft verdichtet und über das Druckventil 52 in das Rohr 17 und weiter in den Druckluftbehälter verdrängt. Im Gegen satz dazu wird das Volumen der Verdichterkammer 46 vergrößert, so dass über das Säug ventil 54 Luft einströmt. Der beschriebene Zyklus wiederholt sich solange, bis das abwech selnde Öffnen und Schließen der Ventile 35, 36, 37 und 38 unterbleibt und zumindest die beiden Zulaufventile 35 und 36 gleichzeitig geschlossen sind.

Der doppeltwirkende Kompressor 13 gemäß Figur 2 hat ein druckfestes Gehäuse 60 mit einem mittleren Gehäuseteil 61 und mit zwei bezüglich des mittleren Gehäuseteils 61 spie gelbildlich angeordneten seitlichen Gehäuseteilen 62 und 63, deren Durchmesser größer ist als der Durchmesser des mittleren Gehäuseteils 61. Die Gehäuseteile 62 und 63 setzen sich jeweils aus einem Boden 64 und einem Deckel 65 zusammen. Der durch Boden und Deckel gebildete, im Querschnitt kreisrunde Innenraum des Gehäuseteils 62 wird durch eine kreis runde Membran 66, die zum Beispiel aus Teflon, einem Thermoplast oder Gummi bestehen kann, in eine an das mittlere Gehäuseteil 61 angrenzende Arbeitskammer 67 und in eine außen liegende Verdichterkammer 68 aufgeteilt. Der durch Boden und Deckel gebildete, kreisrunde Innenraum des Gehäuseteils 63 wird durch eine kreisrunde Membran 69, die gleich wie die Membran 66 ausgebildet ist, in eine an das mittlere Gehäuseteil 61 angren zende Arbeitskammer 70 und in eine außen liegende Verdichterkammer 71 aufgeteilt. Die Membran 66 ist mit ihrem Außenrand zwischen dem Deckel und dem Boden des Gehäuse teils 62 eingeklemmt. Die Membran 69 ist mit ihrem Außenrand zwischen dem Deckel und dem Boden des Gehäuseteils 63 eingeklemmt. Durch die jeweilige Membran ist somit auch die Trennfuge zwischen dem Boden und dem Deckel eines seitlichen Gehäuseteils abge dichtet. In ihrer Mitte sind die beiden Membrane 66 und 69 jeweils zwischen zwei Klemmtel lern 72 eingeklemmt, die auf einer Kolbenstange 73 gehalten sind, die durch das mittlere Gehäuseteil 61 hindurchgeht und darin in ihrer Längsrichtung dicht gleitend geführt ist. Eine Bewegung der einen Membran überträgt sich über die Kolbenstange 73 auf die andere Membran.

Wie bei dem Kompressor 13 gemäß Figur 1 ist die Arbeitskammer 67 über ein Zulaufventil 35, das in einer Stellung geschlossen und in einer zweiten Stellung geöffnet ist und das zum Beispiel elektromagnetisch von einer Stellung, die es unter der Wirkung einer Feder ein nimmt, in die andere Stellung betätigbar ist, an einen im Gehäuse 60 verlaufenden Kanal angeschlossen, der mit dem Rohr 12 verbunden ist. Die Arbeitskammer 70 ist über ein Zu laufventil 36, das genauso wie das Zulaufventil 35 ausgebildet ist, an den mit dem Rohr 12 verbundenen Kanal angeschlossen. Die Arbeitskammer 67 ist außerdem über ein Ablaufven til 37, das in einer Stellung geschlossen und in einer zweiten Stellung geöffnet ist und das zum Beispiel elektromagnetisch von einer Stellung, die es unter der Wirkung einer Feder einnimmt, in die andere Stellung betätigbar ist, an einen im Gehäuse 30 verlaufenden Kanal angeschlossen, der mit dem Rohr 14 verbunden ist. Die Arbeitskammer 70 ist außerdem über ein Ablaufventil 38, das genauso wie das Ablaufventil 37 ausgebildet ist, mit dem mit dem Rohr 14 verbundenen Kanal angeschlossen.

Die Verdichterkammer 68 ist über ein Säugventil 50, das als zu ihr hin öffnendes Rück schlagventil ausgebildet ist, mit einem Lufteinlasskanal 51, und über ein Druckventil 52, das als zu ihr hin sperrendes Rückschlagventil ausgebildet ist, mit einem Luftauslasskanal 53 verbunden, an den das Rohr 14 angeschlossen ist. Die Verdichterkammer 71 ist über ein Säugventil 54, das als zu ihr hin öffnendes Rückschlagventil ausgebildet ist, mit dem Luftein lasskanal 51, und über ein Druckventil 55, das als zu ihr hin sperrendes Rückschlagventil ausgebildet ist, mit dem Luftauslasskanal 53 verbunden.

Auch der Kompressor 13 gemäß Figur 2 steht still, wenn die beiden Zulaufventile 35 und 36 und die beiden Ablaufventile 37 und 38 geschlossen sind.

Werden nun das der Arbeitskammer 70 zugehörige Zulaufventil 35 und das der Arbeitskam mer 67 zugehörige Ablaufventil 38 geöffnet, so strömt unter Druck stehender Dampf aus dem Verdampfer 10 und dem Rohr 12 in die Arbeitskammer 70 hinein. Durch den Druck wird an der Membran 69 eine Kraft erzeugt, die die Membran 69 nach außen drückt und nach außen bewegt, so dass sich das Volumen der Arbeitskammer 70 vergrößert und das Volu men der Verdichterkammer 71 verkleinert. Die Kolbenstange 73 bewegt sich gemäß der An- sicht gemäß Figur 2 nach rechts und bewegt die Membran 66 nach innen, so dass sich das Volumen der Arbeitskammer 67 verkleinert und das Volumen der Verdichterkammer 68 ver größert. Somit wird aus der Verdichterkammer 71 über das Druckventil 55 Luft in das Rohr 17 und weiter in den Druckluftbehälter verdrängt. In die sich vergrößernde Verdichterkammer 68 strömt über das Säugventil 50 Luft ein. Sind die Membrane 66 und 69 am Ende ihres

Weges angelangt, so werden das Zulaufventil 35 und das Ablaufventil 38 geschlossen und das Zulaufventil 36 und das Ablaufventil 37 geöffnet. Unter Druck stehender Dampf strömt nun aus dem Verdampfer 10 über das Rohr 12 in die Arbeitskammer 67. Durch den Druck wird an der Membran 66 eine Kraft erzeugt, die die Membran 66 nach außen drückt und nach außen bewegt, so dass sich das Volumen der Arbeitskammer 67 vergrößert und das Volumen der Verdichterkammer 68 verkleinert. Die Kolbenstange 73 bewegt sich gemäß der Ansicht gemäß Figur 2 nach links und bewegt die Membran 69 nach innen, so dass sich das Volumen der Arbeitskammer 70 verkleinert und das Volumen der Verdichterkammer 71 ver größert. Somit wird aus der Verdichterkammer 68 über das Druckventil 52 Luft in das Rohr 17 und weiter in den Druckluftbehälter verdrängt. In die sich vergrößernde Verdichterkammer

71 strömt über das Säugventil 54 Luft ein.

Der beschriebene Zyklus wiederholt sich solange, bis das abwechselnde Öffnen und Schlie ßen der Ventile 35, 36, 37 und 38 unterbleibt und zumindest die beiden Zulaufventile 35 und 36 gleichzeitig geschlossen sind.

Bezugszeichenliste

10 Verdampfer

11 Wärmequelle

12 Rohr

13 Kompressor

14 Rohr

15 Kondensor

16 Speisepumpe

17 Rohrschlange

18 Vorwärmer

19 Rohr

30 druckfestes Gehäuse von 13

31 mittleres Gehäuseteil

32 Arbeitskolben

33 erste Arbeitskammer

34 zweite Arbeitskammer

35 Zulaufventil von 33

36 Zulaufventil von 34

37 Ablaufventil von 33

38 Ablaufventil von 34

39 seitliches Gehäuseteil

40 Verdichterkolben

41 seitliches Gehäuseteil

42 Verdichterkolben

43 Kolbenstange

44 Verdichterkammer

45 Kammer

46 Verdichterkammer

47 Kammer

50 Säugventil

51 Lufteinlasskanal

52 Druckventil

53 Luftauslasskanal

54 Säugventil

55 Druckventil

60 druckfestes Gehäuse 61 mittleres Gehäuseteil von 60 62 seitliches Gehäuseteil von 60

63 seitliches Gehäuseteil von 60

64 Boden von 62, 63

65 Deckel von 62, 63

66 Membran

67 Arbeitskammer

68 Verdichterkammer

69 Membran

70 Arbeitskammer

71 Verdichterkammer

72 Klemmteller

73 Kolbenstange