Wirkungsgrad

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie mit hohem Wirkungsgrad, bei dem in einem Verdampfer eine erste Komponente/n zusammen mit einer zweiten Komponente/n verdampft wird, die in einer Entspannungsvorrichtung entspannt werden, wobei Wärmeenergie zumindest teilweise in mechanische Energie umgewandelt wird. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Anlage zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie.

Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Vorrichtungen sowie Verfahren zur Gewinnung von mechanischer Energie bekannt. Es sind beispielsweise Wärmekraftanlagen bekannt, in denen in einem Kessel ein Arbeitsmittel, z.B. Wasserdampf bei einem hohen Druck isobar bis zum Siedepunkt erwärmt wird, verdampft und anschließend iη einem Überhitzer noch überhitzt wird. Der Dampf wird anschließend in einer Turbine unter Verrichtung von Arbeit adiabat entspannt und in einem Kondensator unter Wärmeabgabe verflüssigt. Die Flüssigkeit wird von einer Speisewasserpumpe auf einen Druck gebracht und wieder in den Kessel gefördert. Einer der Nachteile dieser Vorrichtungen ist, dass bei diesen Entspannungsprozessen mit Wasserdampf in Turbinen hohe Temperaturen für Drücke von über 15 bar bis 200 bar erzeugt werden müssen, um wirtschaftliche Wirkungsgrade zu erreichen, da bei Turbinen das Druckverhältnis bei der Entspannung die wesentliche Einflussgröße ist.

Ein nachteiliges Merkmal der bekannten Entspannungsprozesse zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie ist, dass die bei der Kondensation des Arbeitsmittels anfallende Kondensationsabwärme verfahrensbedingt als Verlustwärme anfällt, wodurch der Wirkungsgrad negativ beeinflusst wird.

Nach dem Stand der Technik sind auch Ausführungen von Anlagen bekannt, in denen die anfallende Kondensationswärme als Heizenergie in nachgeschalteten Verbrauchern genutzt wird. Man spricht hier von Kraft-Wärme-Kopplung, da in der Anlage gleichzeitig Strom und Heizwärme erzeugt werden.

Ein weiterer Nachteil der bekannten thermischen Entspannungsprozesse in Turbinen mit einer Kondensation des Treibdampfes in einem nachgeschalteten Kondensator, wodurch der für die Entspannung erforderliche Druckabfall aufrechterhalten wird, liegt darin, dass dadurch verfahrensbedingt der im Generator erzeugbare Strom und die als Verlustwärme abzufahrende Kondensationswärme miteinander verkoppelt werden. Nur wenn das Arbeitsmittel ständig kondensiert wird, kann die Entspannung und damit die Erzeugung von Strom aufrechterhalten werden. Wird die Kondensationswärme nicht mehr abgeführt, so kommt die Stromerzeugung schließlich zum Erliegen.

In den bekannten Systemen der Erzeugung von Strom mit thermischen Entspannungsprozessen ist somit eine enge Abhängigkeit der Stromerzeugung von der Wärmeabnahme in nachgeschalteten thermischen Verbrauchern gegeben. Dies ist ein wesentlicher Grund dafür, dass in großen Kraftwerken, die nur der Stromerzeugung dienen, bewusst der Verlust der Kondensationswärme in Kauf genommen wird, um die Stromerzeugung unabhängig von einer etwaigen Nutzung der abzuführenden Kondensationswärme zu machen.

Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung werden üblicherweise nach der Priorität der Nutzenergie in sog. "stromgeführter" oder "wärmegeführter" Betriebsweise betrieben. Energetisch stellen diese Betriebsweisen Kompromisse dar: liegt der Schwerpunkt auf der Wärme, so richtet sich die Stromerzeugung nach dem aktuellen Wärmeverbrauch, steht die Stromerzeugung im Vordergrund, so muss die zugehörige Kondensationswärme abgenommen werden, unabhängig davon, ob sie tatsächlich in wärmetechnischen Prozessen auch gebraucht werden kann oder ob sie, wie bei den großen Kraftwerken zur Stromerzeugung, als Verlustwärme abgefahren werden muss.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie mit hohem Wirkungsgrad zur Verfügung zu stellen, und wenigstens einen der vorgenannten Nachteile zu vermeiden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 vorgeschlagen. In den abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Weiterbildungen ausgeführt.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische, elektrische und/oder thermische Energie mit hohem Wirkungsgrad durch Entspannung eines gasförmigen Gemisches in einer mit einem Verdampfer (3) verbundenen Entspannungsvorrichtung (4) zur Verfügung gestellt, gemäß dem

- in einer Trennvorrichtung (2) wenigstens eine erste Komponente eines Gemenges unter Zuführung von Wärmeenergie von einer Energiequelle (1) ausgetrieben und in einen

Verdampfer (3) überführt wird, wobei das Gemenge wenigstens eine erste Komponente und wenigstens ein Austreibungsmittel umfasst, wobei das Austreibungsmittel einem Austreiberwäscher (6) separat zugeleitet wird,

- der ausgetriebenen ersten Komponente/n in dem Verdampfer (3) mindestens eine zweite Komponente/n unter Ausbildung eines Gemisches zugesetzt wird,

- das aus der ausgetriebenen ersten Komponente/n und der zweiten Komponente/n gebildete Gemisch als Dampf in Form eines komprimierten Gases wenigstens einer Niederdruck-Entspannungsvorrichtung (4) zugeführt und entspannt wird, wobei die bei der Entspannung freiwerdende Energie teilweise in mechanische, elektrische und/oder thermische Energie umwandelbar ist,

- das entspannte Gemisch wenigstens einem Austreiberwäscher (6) zugeführt wird, worin dem Gemisch das Austreibungsmittel zugesetzt wird, worin die erste Komponente und das Austreibungsmittel ein Gemenge unter Freisetzung von Wärmeenergie ausbilden, dabei wenigstens einer ersten Komponente des Gemenges Energie entzogen wird und die zweite Komponente/n dadurch eine Temperaturerhöhung erfährt und vom Gemenge abgetrennt wird,

- das Gemenge aus dem Austreiberwäscher (6) in die Trennvorrichtung (2) rückgeführt wird, und dass die zweite Komponente/n aus dem Austreiberwäscher (6) in den Verdampfer (3) rückgeführt wird.

Der Begriff „Gemisch" bedeutet eine Zusammensetzung umfassend wenigstens eine erste Komponente und wenigstens eine zweite Komponente. Das Gemisch wird nachfolgend auch als Arbeitsmittel bezeichnet.

Das Arbeitsmittel liegt bevorzugt als azeotropes Gemisch oder als Gemisch mit einer Siedepunkterniedrigung, bezogen auf den Siedepunkt der Komponente mit dem höchsten Siedepunkt, vor, wobei Arbeitsmittel in Form von Gemischen bevorzugt sind die eine Siedepunkterniedrigung von mindestens 5° C, bevorzugt von mindestens 10° C, weiter bevorzugt von mindestens 15° C, noch weiter bevorzugt von mindestens 20° C und am meisten bevorzugt

von mindestens 25° C aufweisen, bezogen auf den Siedepunkt der Komponente mit dem höchsten Siedepunkt.

Erfindungsgemäß geeignet verwendbare Azeotropmischungen können ausgewählt sein aus der Gruppe umfassend, Pyridin/Wasser, Wasser/Ethanol, Wasser/Ethylacetat, Was- ser/Dioxan, Wasser/Tetrachlorkohlenstoff, Wasser/Benzol, Wasser/Toluol, Etha- nol/Ethylacetat, Ethanol/Benzol, Ethanol/Chloroform, Ethanol/Tetrachlorkohlenstoff, Ethyl- acetat/ Tetrachlorkohlenstoff, Methanol/ Tetrachlorkohlenstoff, Methanol/Benzol, Chloro- form/Aceton, Toluol/Essigsäure, Aceton-Schwefelkohlenstoff und/oder Wasser/Silikon.

Gleichermaßen erfindungsgemäß verwendbare geeignete Azeotropmischungen können auch mehrkomponentige Systeme sein, d.h. diese Azeotropmischungen umfassen wenigstens drei Komponenten, oder wenigstens vier Komponenten. Grundsätzlich sind alle in der Literatur bekannten Azeotropmischungen, auf die in diesem Zusammenhang im vollen Lm- fang Bezug genommen wird, verwendbar, soweit diese erfindungsgemäß geeignet sind.

Die erste Komponente/n kann ausgewählt sein aus der Gruppe umfassend Wasser, Alkohol, Säure, Keton, Aldehyd und/oder Silikon, wobei das Gemisch umfassend erste und zweite Komponente besonders bevorzugt eine wässrige Silikonlösung ist.

Die Verwendung von Wasser als wenigstens eine erste Komponente ist vorteilhaft, da die Kondensationswärme von Wasser, d.h. von Gas auf flüssig besonders hoch ist. Die hierbei freiwerdende Wärmeenergie lässt sich in vorteilhafter Weise zur Erwärmung der zweiten Komponente/n verwenden.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist eine Komponente, bevorzugt die zweite Komponente, eine geringe volumenspezifische beziehungsweise geringe molare Verdampfungsenthalpie auf. Damit wird erreicht, dass mit einer vorgegebenen Menge an Wärmeenergie eine große Menge an Treibdampf erzeugt wird.

Zumindest eine Komponente des Arbeitsmittels, bevorzugt die zweite Komponente, kann erfindungsgemäß bevorzugt einen Siedepunkt im Bereich von 20° C - 250° C, vorzugsweise von 40° C - 200° C, bevorzugt von 60° C - 150° C, noch bevorzugt von 80° C - 120° C und am meisten bevorzugt von 90° C - 100° C aufweisen.

Zumindest eine Komponente des Arbeitsmittels, bevorzugt die zweite Komponente, kann erfindungsgemäß bevorzugt eine Molare Verdampfungswärme im Bereich von 5 KJ/mol - 15 KJ/mol, vorzugsweise von 6 KJ/mol - 14 KJ/mol, bevorzugt von 7 KJ/mol - 13 KJ/mol, noch bevorzugt von 8 KJ/mol - 12 KJ/mol und am meisten bevorzugt von 9 KJ/mol - 10 KJ/mol aufweisen.

Zumindest eine Komponente des Arbeitsmittels, bevorzugt die zweite Komponente, kann erfindungsgemäß bevorzugt eine geringe spezifische Wärmekapazität [cp] von < 1 ,2 J/g, vorzugsweise von 0,4 J/g - 1 J/g, bevorzugt von 0,5 J/g - 0,9 J/g, und am meisten bevorzugt von 0,6 J/g - 0,8 J/g aufweisen.

Vorzugsweise ist das Arbeitsmittel ein Lösemittelgemisch, das organische und/oder anorganische Lösemittelkomponenten aufweist. Beispiele hierfür sind etwa Gemische aus Wasser und Silikone/en.

Erfindungsgemäß bevorzugt verwendbare Silikone und/oder Derivate davon können einen Siedepunkt im Bereich von 20° C - 250° C, vorzugsweise von 40° C - 200° C, bevorzugt von 60° C - 150° C, noch bevorzugt von 80° C - 120° C und am meisten bevorzugt von 90° C - 100° C aufweisen.

Erfindungsgemäß bevorzugt verwendbare Silikone und/oder Derivate davon können eine Molare Verdampfungswärme im Bereich von 5 KJ/mol - 15 KJ/mol, vorzugsweise von 6

KJ/mol - 14 KJ/mol, bevorzugt von 7 KJ/mol - 13 KJ/mol, noch bevorzugt von 8 KJ/mol - 12 KJ/mol und am meisten bevorzugt von 9 KJ/mol - 10 KJ/mol aufweisen.

Erfindungsgemäß bevorzugt verwendbare Silikone und/oder Derivate davon können eine geringe spezifische Wärmekapazität [cp] von < 1 ,2 J/g, vorzugsweise von 0,4 J/g - 1 J/g, bevorzugt von 0,5 J/g - 0,9 J/g, und am meisten bevorzugt von 0,6 J/g - 0,8 J/g aufweisen.

Das Arbeitsmittel kann ein Gemisch aus Wasser und wenigstens einem oder mehreren SiIi- kon/en aufweisen. Bevorzugt ist ein Mischungsverhältnis Wasser zu Silikon/en von 1 : 100 bis 1 : 2, weiter bevorzugt von 1 : 50, noch weiter bevorzugt von 1 : 25, außerdem bevorzugt von 1 : 15 und am meisten bevorzugt von 1 : 8 bis 1 : 10.

Vorteilhafterweise kann mindestens eine Komponente, vorzugsweise die erste Komponente, ein protisches Lösemittel sein.

Der Begriff „Gemenge" bedeutet eine Zusammensetzung umfassend wenigstens eine erste Komponente und wenigstens ein Austreibungsmittel.

Erfindungsgemäß geeignet verwendbare Austreibungsmittel, nachstehend auch als Absorptionsmittel und/oder Adsorptionsmittel bezeichnet, können ausgewählt sein aus der Gruppe umfassend, Zeolithe, Silikate, anorganische Säuren, insbesondere Phosphorsäure, Halogensäuren, Schwefelsäure, Kieselsäure, organische Säuren, anorganische Salze und/oder organische Salze.

Erfindungsgemäß bevorzugt ist, dass das Austreibungsmittel einen deutlich höheren Verdampfungspunkt als die erste Komponente/n und zweite Komponente/n hat. Besonders bevorzugt ist der Verdampfungspunkt des Austreibungsmittels so hoch gewählt, dass bei der thermischen Trennung des Gemenges lediglich erste Komponente verdampft wird und das Austreibungsmittel, auch als Absorptionsmittel und/oder Adsorptionsmittel bezeichnet, in der Trennvorrichtung zurück bleibt.

Vorteilhafterweise ist das Absorptionsmittel eine alkalische Silikatlösung, wobei das in der alkalischen Silikatlösung absorbierte Wasser der ersten Komponente beispielsweise durch Erhitzen desorbiert wird.

Geeignete Salze sind Alkali- und/oder Erdalkalisalze, insbesondere deren Halogensalze, wie Li Br, LiGI, MgCI ₂ und dergleichen.

Als Absorptionsmittel und/oder Adsorptionsmittel sind grundsätzlich alle Substanzen geeignet, die ein Lösemittel des A ^r beitsmittels absorbieren und/oder adsorbieren. Bevorzugt sind allerdings solche Absorptionsmittel und/oder Adsorptionsmittel die die absorbierte und/oder adsorbierte erste Komponente/n mit geringem Energieaufwand wieder freisetzen.

Vorteilhaft kann weiterhin sein, dass sich die Absorptionsmittel/Adsorptionsmittel nach Aufnahme einer ersten Komponente/n leicht von der zweiten Komponente/n abtrennen lassen.

Das Absorptionsmittel/Adsorptionsmittel zur Aufnahme wenigstens einer ersten Komponente/n des Arbeitsmittels kann in vorteilhafterweise so gewählt sein, dass der Gesamtwirkungsgrad der erfindungsgemäßen Anlage zur Umwandlung von Wärmeenergie von Fluiden in mechanische, elektrische und/oder thermische Energie ermittelt über 24 Stunden einschließlich der zur Trennung der ersten Komponente/n vom Absorptionsmittel/Adsorptionsmittel vorzugsweise noch bei > 40% liegt.

In der Trennvorrichtung, die auch als Austreiberaggregat bezeichnet wird, wird das Gemenge in erste Komponente und Austreibungsmittel getrennt. Das Austreibungsmittel ist vorzugsweise ein Stoff, der die erste Komponente/n im Sinne eines Verdünnungseffektes aufnimmt bzw. bindet, beispielsweise absorbiert und/oder adsorbiert. Bevorzugt ist das Austreibungsmittel deshalb ein Salz oder eine Salzlösung. Es ist aber auch denkbar, dass das Austreibungsmittel ein Gel oder ein Feststoff ist.

Zur Trennung, nachfolgend auch als Desorption bezeichnet, des Gemenges in der Trennvorrichtung wird eine Energiequelle zur Erzeugung von Wärmeenergie benötigt.

Wärmeenergie, die die absorbierte erste Komponente vom Austreibungsmittel in der Trennvorrichtung trennt bzw. desorbiert, kann in beliebiger Form zur Verfügung gestellt werden, beispielsweise als fossile Energie, Bioenergie oder Solarenergie. Sie kann aber auch aus sonstigen Energiequellen mit gutem Wirkungsgrad bereitgestellt werden, wie aus der Gruppe umfassend Wärmepumpe/n, Brennstoffzelle/n oder auch in Form von Abwärme, die abhängig vom Temperaturniveau entweder direkt oder nach Transformation mit Hilfe einer oder mehrerer Wärmepumpe/n auf das für die Desorption geforderte Temperaturniveau gebracht wird.

Die Energiequelle/n zur Erzeugung der zur Trennung des Gemenges benötigten Wärmemenge kann eine Abgaswärmequelle, eine Abwärmequelle von Verbrennungsprozessen, eine geothermische Quelle, ein Sonnenkollektor, eine Wärmepumpe, eine Brennstoffzelle, eine Abwärmequelle von Kühlprozessen, ein Verbrennungsmotor, ein Blockheizkraftwerk sein und/oder zumindest teilweise mittels der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung erzeugt werden.

Es ist natürlich auch möglich, dass zumindest ein Teil der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens gewonnenen Energie zur Trennung des Gemisches in der Trennvorrichtung verwendbar ist.

Es ist bevorzugt, dass das Gemenge in der Trennvorrichtung, die als thermisches Austreibersystem ausgebildet ist, in erste Komponente/n und Austreibungsmittel getrennt wird. Vorteilhaft ist, wenn das Austreibungsmittel in flüssiger Form abgetrennt wird, indem die erste Komponente/n aus dem Gemenge verdampft wird.

In der Trennvorrichtung ist das Gemenge einem Überdruck, vorzugsweise von etwa 1 bar atmosphärischen Überdruck, ausgesetzt.

Es ist bevorzugt, dass das Gemenge aus erster Kόmponente/n und Austreibungsmittel in der Trennvorrichtung in fließfähiger und bevorzugt in flüssiger Form vorliegt.

Die in der Trennvorrichtung thermisch abgetrennte bzw. desorbierte erste Komponente/n des Gemenges wird mit Überdruck, beispielsweise 1 bar Überdruck, als Gas oder auch als Dampf bezeichnet in einen Verdampfer überführt. In dem Verdampfer kann der ersten Komponente/n eine zweite Komponente/n wie vorstehend beschrieben zugesetzt werden. Dieses aus erster Komponente/n und zweiter Komponente/n gebildete unter Druck stehende fließfähige und bevorzugt flüssige Gemisch, auch als Arbeitsmittel bezeichnet, wird verdampft und der Dampf mit einem Überdruck, beispielsweise von 1 bar, und erhöhter Temperatur, einer Niederdruck-Entspannungs Vorrichtung zugeleitet mittels derer das Arbeitsmittel entspannt, beispielsweise auf Atmosphärendruck, und abgekühlt wird.

In dem Verdampfer kann eine flüssige und dampfförmige Phase der ersten und zweiten Komponenten vorliegen.

Die Niederdruck-Entspannungsvorrichtung kann besonders bevorzugt ein Wälzkolbengebläse oder eine Ovalradpumpe sein. Es kann ferner bevorzugt sein, wenn die Niederdruck- Entspannungsvorrichtung mit mindestens einer Einspritzöffnung ausgeführt ist, durch die ein Absorptionsmittel oder ein protisches Lösemittel in die Entspannungsvorrichtung einbringbar ist.

Zwecks Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische, elektrische und/oder thermische Energie kann die Niederdruck-Entspannungsvorrichtung mit einem Generator verbunden sein.

Das entspannte gasförmige Arbeitsmittel wird anschließend einem Austreiberwäscher zugeführt. Im Austreiberwäscher wird dem Arbeitsmittel-Gemisch ein Austreibungsmittel zugesetzt. Durch die Zugabe des Austreibungsmittel wird die erste Komponente/n zumindest teil-

weise, bevorzugt vollständig, absorbiert. Die hierbei freiwerdende Absorptionsenergie kann zur Abtrennung der zweiten Komponente/n von der ersten Komponente verwendet werden. Somit wird zumindest ein Teil der benötigten Energie, vorzugsweise die gesamte Energie, die zur Temperaturerhöhung und Abtrennung der zweiten Komponente/n vom Gemenge erforderlich ist, durch die durch Absorption und/oder Adsorption frei werdende Energie der ersten Komponente in Gegenwart des Austreibungsmittels erhalten.

Vorzugsweise wird die nach dem Austreiberwäscher verbleibende zweite Komponente, die erfindungsgemäß nach der Entspannung Wärme aufgrund der Absorption der ersten Komponente aufgenommen hat, und dadurch auf eine Temperatur oberhalb der Siedetemperatur des Gemisches erwärmt wurde, in einen Wärmetauscher geleitet und kondensiert. Der Wärmetauscher ist vorzugsweise ein Verdampfer, in dem die erste und die zweite Komponente als Arbeitsmittel verdampft werden, kann jedoch auch ein Wärmetauscher sein, in dem Wärmeenergie auf einen wärmeverbrauchenden Prozess übertragen wird, bevor die dabei abgekühlte zweite Komponente in den Verdampfer geleitet wird. Die dem Prozess durch eine solche vorherige Wärmeübertragung entzogene Wärmeenergie wird ihm durch einen größeren Wärmeeintrag in das Austreibersystem wieder zugeführt. Eine Rücklaufleistung mit Ventil zwischen Verdampfer und Austreibersystem sorgt dabei dafür, dass die Zusammensetzung des Gemisches bei dem gewünschten azeotropen Mischungsverhältnis stabilisiert wird.

Überschüssige thermische Energie kann ferner einem Generator, dem Verdampfer und/oder der Trennvorrichtung zugeführt werden. Insbesondere kann die in der temperaturerhöhten zweiten Komponente/n enthaltende Wärmeenergie mittels eines Wärmeaustauschers zumindest teilweise entzogen werden und/oder zur Verdampfung von zusätzlicher zweiten Komponente/n im Verdampfer genutzt werden, wobei der Wärmeaustauscher optional mit einem Kopplungseinrichtung verbunden ist.

Die Kopplungseinrichtung kann ein Heizungsnetz und/oder ein anderer Wärmeverbraucher sein.

Ein Teil der ersten Komponente/n kann auch in einem Wärmetauscher kondensiert werden, der vorzugsweise in den Verdampfer integriert ist, wobei die hierbei freigesetzte Kondensationsenergie zumindest teilweise für die Verdampfung des Arbeits mittels, beispielsweise im Verdampfer, genutzt werden kann.

Ohne auf eine bestimmte Theorie festgelegt zu sein, wird angenommen, dass die erste gas- oder dampfförmige Komponente/n sich an das Austreibungsmittel anlagert, wobei Absorptionsenergie freigesetzt wird. Beispielsweise, wenn das Austreibungsmittel eine Salzlösung ist, tritt ein sogenannter Verdünnungseffekt auf, bei dem die Salzlösung die erste Komponente/n aufnimmt bzw. absorbiert und/oder adsorbiert.

Es wird folglich angenommen, dass im Austreiberwäscher die erste Komponente/n mit dem Austreibungsmittel kontaktiert wird, wobei die erste Komponente zumindest teilweise seinen Aggregatszustand von gasförmig auf flüssig ändert und/oder dass die erste Komponente vom Austreibungsmittel kondensiert, absorbiert und/oder adsorbiert wird, wobei Wärmeenergie freigesetzt wird.

Wie vorstehend beschrieben, wird durch die freiwerdende Absorptionsenergie die thermische Trennung der zweiten Komponente von der ersten Komponente im Austreiberwäscher ermöglicht. Dies ist energetisch betrachtet besonders vorteilhaft, da die Aggregationsänderung von gasförmig zu flüssig, insbesondere bei Wasser viel Wärmeenergie freisetzt, die auf die zweite Komponente/n übertragen werden kann.

Die kondensierte erste Komponente/n bildet mit dem Austreibungsmittel ein Gemenge, welches der Trennvorrichtung zugeführt wird. Erfindungsgemäß umfasst das Austreibungsmittel wenigstens eine ionische Verbindung, vorzugsweise wenigstens eine Salzlösung, besonders bevorzugt wenigstens eine Silikatlösung und am meisten bevorzugt wenigstens eine alkalische Silikatlösung.

Das Gemenge kann mittels wenigstens einer Pumpe vom Austreiberwäscher über wenigstens einen Rekuperator, zwecks Wärmeaustausches zwischen Vorlauf der zweiten Komponente/n und Rücklauf des Gemenges, der Trennvorrichtung zugeführt und Austreibungsmittel von der Trennvorrichtung zurück zur Absorptionsvorrichtung gefördert werden.

Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass der Rückführungskreislauf der zweiten Komponente/n vom Rückführungskreislauf des Austreibungsmittels getrennt ist.

Nachstehend wird das erfindungsgemäße Verfahren eingehend erläutert.

Das bei herkömmlichen thermischen Entspannungsprozessen verfahrensbedingt festgelegte Verhältnis zwischen erzeugter mechanischer bzw. elektrischer Energie und anfallender Verlustwärme wird erfindungsgemäß aufgehoben, indem auf die Kondensation des Arbeitsmittels nach der Entspannung verzichtet wird. Die für die Entspannung erforderliche Druckminderung wird nicht durch Kondensation des gesamten Treibdampfes, sondern durch Absorption eines Teils des Treibdampfes realisiert. Damit wird die geforderte Volumenreduzierung nicht durch Abkühlung, sondern durch eine Abnahme der Anzahl der im Treibdampf befindlichen Teilchen realisiert. Als besonders elegantes Merkmal der erfindungsgemäßen Lösung ist anzusehen, dass durch entsprechende Auswahl eines azeotropen Gemisches mit Siedepunktminimum als Arbeitsmittel durch die Absorption der ersten Komponente die freigesetzte Absorptionsenergie auf die dampfförmig verbleibende zweite Komponente übertragen wird. Dadurch wird diese trotz der Entspannung über die Verdampfungstemperatur des Gemisches hinaus erwärmt. Damit wird es möglich, den Umwandlungswirkungsgrad als Verhältnis von gewonnener mechanischer Nutzarbeit und eingebrachter Wärmeenergie entscheidend zu verbessern, da ein wesentlicher Teil des Treibdampfes dampfförmig bleibt, also die zugehörige Kondensationswärme nicht dem Umwandlungsprozess entzogen wird, sondern für eine Nutzung auf dem erhöhten Temperaturniveau oder für die Rückführung in den Verdampfer zur Verdampfung von neuem Arbeitsmittel nutzbar ist.

Erfindungsgemäß kann weiter vorgesehen sein, dass mit der Wärmeenergie, falls erforderlich nach einer Transformation auf ein höheres Temperaturniveau mittels einer oder mehrerer hintereinander angeordneter Wärmepumpen, in einem Austreiberaggregat die absorbierte erste Komponente eines Arbeitsmittels desorbiert wird und mit der erhöhten Desorpti- onstemperatur dampfförmig in den Verdampfer übertritt und Arbeitsmittel verdampft, dass die Entspannung in einer Niederdruck-Entspannungsvorrichtung erfolgt und die im entspannten dampfförmigen Arbeitsmittel enthaltene Energie mit der bei der Absorption der ersten Komponente übertragenen Absorptionsenergie erwärmten, dampfförmig verbleibenden zweiten Komponente entweder in den Verdampfer rückführbar ist und zur Verdampfung zusätzlichen Arbeitsmittels nutzbar ist, oder in einem zwischengeschalteten Wärmetauscher auf dem erhöhten Temperaturniveau für wärmeverbrauchende Prozesse genutzt werden kann.

Wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Entspannung des Arbeitsmittels in einer Niederdruck-Entspannungsvorrichtung, wobei die im entspannten dampfförmigen Arbeitsmittel enthaltene Energie in den Verdampfer rückführbar ist und zur Verdampfung zusätzlichen Arbeitsmittels nutzbar ist. Dazu wird das zu entspannende Arbeitsmittel durch ein Gemisch gebildet, und das Verfahren weist vorzugsweise wenigstens eine erste Komponente des Arbeitsmittels auf, das in und/oder nach der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung mittels eines Absorptionsmittels absorbiert und/oder mittels eines Adsorptionsmittels adsorbiert wird, wobei Wärmeenergie auf die verbleibende, dampfförmige zweite Komponente/n übergeht, die rückführbar ist.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Arbeitsmittel-Gemisch bei einem bestimmten Mischungsverhältnis der Komponenten ein Azeotrop mit Siedepunktminimum. Bei azeotrop verdampfenden Gemischen mit Siedepunktminimum lassen sich je nach Typ die Verdampfungstemperaturen absenken, so dass diese unter den Kondensationstemperaturen der einzelnen Komponenten liegen. Wird aus dem Dampfgemisch adiabat die erste Komponente absorbiert, so geht die entsprechende Wärme auf die dampfförmig verbleibende zweite Komponente über. Der Entzug der Kondensationswärme kann dadurch auf einem erhöhten Temperaturniveau erfolgen. Insbesondere kann bei geeignet ausgewählten Azeotropmi-

schungen die zweite dampfförmige Komponente im Verdampfer des Arbeitsmittels selbst unter Abgabe der Kondensationswärme kondensiert werden, so dass der entsprechende Anteil der Wärmeenergie in den Prozess zurückgeführt werden kann.

Das Arbeitsmittel für die Niederdruck-Entspannung, beispielsweise ein azeotropes Gemisch aus Wasser und Perchloräthylen, kann beispielsweise durch Wärmeaustausch mit Primärenergie aus Prozessdämpfen oder erwärmten Prozessflüssigkeiten und/oder Wärmespeichern verdampft werden. Die Absorption, bei der erfindungsgemäß die anfallende Absorptionswärme auf die zweite dampfförmig verbleibende Komponente übertragen wird, wodurch sich diese Komponente auf ein Temperaturniveau oberhalb der Siedetemperatur des aze- otropen Gemisches erwärmt, kann in und/oder nach der Entspannungsvorrichtung erfolgen. Einer der wesentlichen Vorteile ist hierbei, dass durch die Entspannung des azeotropen Gemisches Wärmeenergie in mechanische Energie und mit Hilfe eines Generators in elektrische Energie umgewandelt werden kann und gleichzeitig das entspannte Arbeitsmittel, das im Entspannungs prozess bereits „Arbeit" geleistet hat, durch die Trennung (Absorption) der ersten von der zweiten Komponente sich aufgrund der freiwerdenden Absorptionswärme erwärmt. Hierbei kann das verbleibende Arbeitsmittel nach der Entspannung zurückgeführt werden, um beispielsweise in einem Wärmetauscher seine Wärme abzugeben. Zum Beispiel ist es in einer Ausgestaltung der Erfindung möglich, dass das verbleibende Arbeitsmittel (nur zweite Komponente) in einen Wärmetauscher (Verdampfer) geleitet wird, in dem das verbleibende Arbeitsmittel kondensiert und aufgrund der entstehenden Kondensationswärme das flüssige Arbeitsmittel mit der ersten und der zweiten Komponente verdampft und anschließend wieder in die Entspannungsvorrichtung geführt wird. Hierdurch kann erfindungsgemäß der Wirkungsgrad des Verfahrens zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische und/oder elektrische Energie wesentlich verbessert werden. Weiterhin kann die dampfförmige zweite Komponente in einem Wärmetauscher Wärme auf einen wärmeverbrauchenden Prozess übertragen, bevor sie zurück in den Verdampfer gelangt.

Das Arbeitsmittel für die Niederdruck-Entspannung ist vorzugsweise durch ein azeotropes Gemisch mit Siedepunktminimum oder nahezu azeotropes Gemisch gebildet. Im folgenden

wird die Erfindung mit einem azeotropen Gemisch beschrieben, selbstverständlich kann die Erfindung ebenfalls auf nahezu azeotrope Gemische beziehungsweise auf nicht azeotrope Gemische bezogen werden. Hohe Wirkungsgrade lassen sich besonders mit einem azeotropen oder einem nahezu azeotropen Gemisch erzielen. Bei einem Einsatz eines azeotropen Gemisches können je nach Typ deren Verdampfungstemperaturen abgesenkt werden, so dass diese unter den Verdampfungstemperaturen der einzelnen Komponenten liegen.

Bei einer alternativen Ausführungsform ist das Absorptionsmittel ein reversibel immobilisierbares Lösemittel, das in dem nicht-immobilisierten Aggregatzustand die erste Komponente des Arbeitsmittels ist. Das reversible Lösemittel im siedenden Arbeitsmittel kann sich vorteilhafterweise durch physikalisch-chemische Veränderungen so verändern, in dem es durch Ionisieren oder Komplexbildung aus der Dampfphase von dem nicht-immobilisierten Zustand in den reversibel immobilisierten Zustand verändert werden kann und in der nicht- immobilisierten Form als Absorptionsmittel für das Arbeitsmittel wirkt. Somit enthält das dampfförmige Arbeitsmittel vor der Entspannung bereits das Absorptionsmittel (im nicht- immobilisierten Zustand). Das reversibel immobilisierte Lösemittel ist in einem dampfförmigen Aggregatzustand und geht durch physikalisch-chemische Veränderungen - wie zum Beispiel pH- Verschiebung, Veränderung des Molenbruches und der Temperatur in seiner Flüchtigkeit und/oder in seinem Dampfdruck - in den flüssigen Zustand über (vergleichbar mit Dampf als Lösemittel in nicht-immobilisierter Form und Wasser als reversibel immobilisierbares Lösemittel). Der Vorteil ist hierbei, dass das Arbeitsmittel aus zwei Komponenten besteht, wobei gleichzeitig die eine Komponente im reversiblen immobilisierten Zustand als Absorptionsmittel für die andere Komponente wirkt. Als pH-abhängige reversibel immobilisierbare Lösemittel können beispielsweise zyklische Stickstoffverbindungen - wie Pyridine - eingesetzt werden.

Die Absorption der ersten Komponente kann beispielsweise bereits in der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung erfolgen. Des weiteren ist es selbstverständlich möglich, dass ein Austreiberwäscher, in der vorliegenden Beschreibung auch als Absorptionsvorrichtung bezeichnet, zum Beispiel als Wäscher ausgeführt ist, der der Niederdruck-Entspannungsvor-

richtung nachgeschaltet ist. In einer möglichen Ausgestaltung kann in der Absorptionsvorrichtung die Ionisierung des reversibel immobilisierbaren Lösemittels durch eine Elektrolyse oder durch ein Zusetzen von Elektrolyten erfolgen, wodurch das Lösemittel in seiner immobilisierten Form als Absorptionsmittel aus dem Arbeitsmittel entsteht. Gleichzeitig werden die das Absorptionsmittel durchströmenden Dämpfe des Arbeitsmittels ebenfalls ionisiert, so dass der Dampfdruck so abgesenkt wird, dass sich der Dampf der reversiblen immobilisierbaren Komponente im Arbeitsmittel niederschlägt. Das azeotrope Arbeitsmittel wird somit durch das Absorptionsmittel geführt, das die erste Komponente aufnimmt (absorbiert), wobei die frei werdende Absorptionsenergie auf die dampfförmige verbleibende zweite Komponente übergeht. Das Absorptionsmittel kann anschließend wieder zurück in den Verdampfer geleitet werden, wo es beispielsweise durch Deionisation in einen nicht-ionischen Zustand überführt wird und mit der kondensierten Phase der verbliebenen zweiten Komponente als azeotropes Gemisch wieder verdampft wird.

Als Absorptionssysteme bzw. Austreiberwäscher kommen neben den üblichen Wäschersystemen, wie zum Beispiel Venturiwäscher, auch Verdichter, Pumpen in Frage, die eine ausreichende Menge an Betriebsflüssigkeit aufweisen, wie zum Beispiel Wälzkolbenpumpen mit Einspritzung, Schraubenverdichter, Flüssigkeitsringpumpen oder Flüssigkeitsstrahlpumpen. Durch die Kombination des Prozesses mit einem polytropen Verdichtungssystem lassen sich Temperaturen bestimmter Gemische dem Bedarf anpassen.

Zweckmäßigerweise ist das Molverhältnis des Arbeitsmittels derart gewählt, dass der Druck in der Entspannung durch die Reduzierung der Anzahl der in der Gasphase verbleibenden Moleküle mehr abnimmt, als der Druck durch die Erwärmung des verbleibenden Gases zunimmt, damit der Aufbau eines sonst resultierenden Gegendruckes nach der Entspannungsvorrichtung vermieden wird.

Als Niederdruck-Entspannungsvorrichtung kann eine Vorrichtung verwendet werden, bei der weder die Masse des Dampfes noch das Druckverhältnis, sondern allein die Druckdifferenz relevant ist.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Niederdruck-Entspannungsvorrichtung als Wälzkolbengebläse - als Rootsgebläse - oder in Form von Ovalradpumpen ausgeführt. Vorteilhaft ist, dass das Wälzkolbengebläse als Entspannungsvorrichtungen (Entspannungsmotoren) schon mit einer Druckdifferenz von 500 mbar mit einem vollen Wirkungsgrad arbeiten können und in einem geschlossenen System bei Drücken von 10 bis 0,5 bar eingesetzt werden kann. Erfindungsgemäß kann das Wälzkolbengebläse mit mindestens einer Einspritzöffnung ausgeführt sein, durch die das Absorptionsmittel und/oder ein protisches Lösemittel in das Wälzkolbengebläse einbringbar ist. Vorteilhafterweise erfolgt eine druckgesteuerte Einspritzung zur Verhinderung von Flüssigkeitsschäden. Eine weiterer Vorteil ist, dass bei den genannten Entspannungsvorrichtungen nur die Druckdifferenz und nicht die Masse oder das Entspannungsverhältnis für den Wirkungsgrad maßgebend ist.

Zweckmäßigerweise weist das Wälzkolbengebläse eine gasdichte Dichtung zwischen Schöpfraum und Getrieberaum auf, wobei in einer weiteren Ausführungsform das Wälzkolbengebläse mehrflügelige Rotoren umfasst.

Das Wälzkolbengebläse weist ferner eine Welle auf, die mit dem Generator verbunden werden kann, wodurch die mechanische in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Die Verwendung von einem Wälzkolbenmotor als Niederdruckentspannungsvorrichtung eröffnet - insbesondere bei der Nutzung von Abwärme mit einer Temperatur von weniger als ungefähr 100°C für den Antrieb von beispielsweise Pumpen oder Generatoren - die Möglichkeit, zum einen den Prozess durch Einspritzung von Absorptionsmitteln zu unterstützen, und zum anderen wegen der geringen Druck- und Temperaturdifferenzen die verbleibende Energie im entspannten dampfförmigen Arbeitsmittel, wie oben beschrieben, wieder auf ein erhöhtes Temperaturniveau zu transformieren und damit rückführbar zu machen.

Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass das Wälzkolbengebläse ein unter Druck stehendes Arbeitsmittel entspannt und nicht verdichtet.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft eine Anlage zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische, elektrische und/oder thermische Energie.

Erfindungsgemäß wird eine Anlage zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische, elektrische und/oder thermische Energie zur Verfügung gestellt, die folgende Komponenten umfassend: a) eine Verdampfereinheit (3), in der ein Gemisch, gebildet aus erster Komponente/n und zweiter Komponente/n, verdampfbar ist, b) eine Niederdruck-Entspannungsvorrichtung (4), die optional mit einem Generator (5) verbunden ist, wobei die Niederdruck-Entspannungsvorrichtung (4) der Verdampfereinheit (3) nachgeschaltet ist, c) einen Austreiberwäscher (6), wobei der Austreiberwäscher (6) bevorzugt in die Niederdruck-Entspannungsvorrichtung (4) integriert ist und/oder der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung (4) nachgeschaltet ist, d) eine Trennvorrichtung (2), die als thermisches Austreibersystem ausgebildet ist, in der die erste Komponente/n vom Austreibungsmittel getrennt wird, e) wenigstens eine zusätzliche Energiequelle (1 ), die der als Austreibersystem ausgebildeten Trennvorrichtung (2) Wärmeenergie zwecks Abtrennung der ersten Koponente/n von dem Austreibungsmittel/n zuführt.

Die Wärmeenergie zur Desorption bzw. Trennung der absorbierten ersten Komponente/n in der Trennvorrichtung, nachfolgend auch als Austreiber bezeichnet, kann durch beliebige Energiequellen bereitgestellt werden. Eine erfindungsgemäß geeignete Energiequelle/n (1) kann wenigstens eine Abgaswärmequelle, eine Abwärmequelle von Verbrennungsprozessen, eine geothermische Quelle, ein Sonnenkollektor, eine Wärmepumpe, eine Brennstoffzelle, eine Abwärmequelle von Kühlprozessen, ein Verbrennungsmotor und/oder ein Blockheizkraftwerk sein.

Die Wärmeenergie muss jedoch auf einem oder zwei unterschiedlichen Temperaturniveau/s bereitgestellt werden, das oder die einerseits oberhalb der im Verdampfer eingestellten Verdampfungstemperatur des azeotropen Arbeits mittel-Gemisches sowie andererseits oberhalb der für die Desorption bzw. Trennung der absorbierten ersten Komponente/n im Austreiber oder für die Freisetzung im Falle eines anderen physikalisch-chemischen Prozesses zur Abtrennung der ersten Komponente liegt. Beispielsweise kann die Wärmeenergie aus der Verbrennung fossiler oder biogener Energieträger, Solarwärme, Brennstoffzelle/n sowie aus Abwärme vorgeschalteter thermischer Prozesse, bei Bedarf nach entsprechender Transformation des Temperaturniveaus mit Hilfe einer oder mehrerer Wärmepumpen stammen.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Wärmeenergie auch durch anfallende Wärme an Verbrennungsanlagen oder aus den Verlustwärmen aus der Kondensation in herkömmlichen thermischen Entspannungsprozessen zur Erzeugung von Strom anfallen. Wie oben ausgeführt, sind mit den herkömmlichen Verfahren zur Stromerzeugung durch die Entspannung von hochgespanntem Wasserdampf und durch die erforderliche Kondensation des Wasseidampfs nach der Turbine große Abwärmemengen verbunden, die als Verlustwärmen in Kühltürmen abgefahren werden müssen. Grundsätzlich bietet das erfindungs gemäße Verfahren die Möglichkeit, auch diese Wärmeenergie zumindest teilweise in mechanische Energie umzuwandeln. Voraussetzung ist die Transformation mit Hilfe von einer oder mehrerer Wärmepumpen auf ein hinreichend hohes Temperaturniveau. In einer bevorzugten Ausführungsform reicht in Verbindung mit Energieerzeugungsanlagen das Überschreiten der Verdampfungstemperatur des azeotropen Arbeitsmittelgemisches im Verdampfer, da die geforderte, in der Regel höhere Desorptionstemperatur im Austreiber vorzugsweise aus Wärmeenergie aufgebracht werden kann, die direkt der Primärverbrennung entnommen werden kann.

Besonders geeignet ist das vorgeschlagene Verfahren zur Umwandlung der an bekannten motorgetriebenen Block-Heiz-Kraftwerken (BHKW) anfallenden Abwärmen. Bei Umwandlungsprozessen mit Verbrennungsmotoren, bspw. Otto- oder Dieselmotoren, wird die einge-

setzte Primärenergie in folgenden Relationen in Nutzenergie umgewandelt: etwa 36% mechanische Energie, 34% Motorabwärme im Kühlwasserkreislauf, 26% Abgas, 4% Strahlungsverluste. Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei diesem Verhältnis besonders vorteilhaft für die Umwandlung von BHKW-Abwärme genutzt werden, da die Abwärme auf zwei unterschiedlichen Temperaturniveaus anfällt, die Motorabwärme im Kühlwasserkreislauf bei etwa 90° bis 100 ⁰ C, Abgas bis etwa 400 ⁰ C. Dadurch können diese Abwärmen im Wesentlichen ohne weitere Transformation des Temperaturniveaus genutzt werden. Die Abgaswärme wird vorteilhaft direkt in den Austreiber, die Motorabwärme zur Unterstützung der Verdampfung in den Verdampfer eingespeist. Die im BHKW anfallenden Abwärmen können auch durch Wärmeaustauschprozesse auf Temperaturniveaus transformiert werden, so dass die anfallende Wärmeenergie möglichst weitgehend in der erfindungsgemäßen Anlage genutzt werden kann. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass in herkömmlicher Weise weiterhin ein Teil der anfallenden Abwärme auch für wärmeverbrauchende Prozesse genutzt werden kann.

Die Energiequelle/n kann eine Wärmepumpe/n, eine Brennstoffzellen und/oder Solaranlage/n sein. Bevorzugt ist die Verwendung wenigstens einer Wärmepumpe angesichts der vorteilhaften Energiebilanz. Wärmepumpen lassen sich vorteilhaft bei niedrigen Umgebungstemperaturen einsetzen. Solaranlagen benötigen eine ausreichend hohe Sonneneinstrahlung, so dass in kälteren Regionen häufig der Einsatz von Wärmepumpen bevorzugt sein kann. Brennstoffzellen können ebenfalls aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades Verwendung finden.

Es kann bevorzugt sein Brennstoffzellen in Kombination mit Solaranlagen und/oder Wärmepumpen einzusetzen. Generell kann es vorteilhaft sein, verschiedenartige Energiequellen zu verwenden, um je nach Umgebungsbedingungen den Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Anlage zu optimieren.

Die erfindungsgemäße Anlage kann mindestens eine Pumpe umfassen, mittels derer das Gemenge umfassend erste Komponente/n und Austreibungsmittel vom Austreiberwäscher

zur Trennvorrichtung, gegebenenfalls über einen Rekuperator, nach Wärmeaustausch zwischen Vorlauf der zweiten Komponente/n und Rücklauf des Gemenges, zur Trennvorrichtung und Austreibungsmittel von der Trennvorrichtung zurück zur Absorptionsvorrichtung gefördert wird.

Die Absorptionsvorrichtung kann vorzugsweise als Wäscher ausgeführt sein, worin erste Komponente/n mittels Austreibungsmittel kondensiert, adsorbiert und/oder absorbiert wird.

Die Anlage kann erfindungsgemäß so ausgelegt sein, dass der Rückführungsleitungskreis- lauf der zweiten Komponente/n vom Austreiberwäscher zum Verdampfer über die Niederdruck-Entspannungsvorrichtung zurück zum Austreiberwäscher getrennt von dem Rückfüh- rungsleitungskreislauf des Austreibungsmittels vom Austreiberwäscher über die Trennvorrichtung zum Austreiberwäscher verläuft, wobei vorzugsweise in den Rückführungsleitungs- kreislauf der zweiten Komponente/n eine Pumpe zwischengeschaltet ist, die zweite Komponente/n unter Druck in den Verdampfer leitet und in den Rückführungsleitungskreislauf des Austreibungsmittels optional ein Rekuperator zwischengeschaltet ist.

Ferner kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass der Rückführungsleitungskreislauf der zweiten Komponente/n wenigstens eine Wärmetauschereinheit aufweist, wobei die Wärmetauschereinheit vorzugsweise eine Kopplungseinrichtung aufweist.

Außerdem kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass der Rückführungsleitungskreislauf der ersten Komponente von der Trennvorrichtung zum Verdampfer über die Niederdruck- Entspannungsvorrichtung zum Austreiberwäscher zurück zur Trennvorrichtung geleitet ist, wobei vom Verdampfer bis zum Austreiberwäscher erste und zweite Komponenten gemeinsam geführt werden und vom Austreiberwäscher zurück zur Trennvorrichtung erste Komponente/n gemeinsam mit dem Austreibungsmittel geführt werden, wobei vorzugsweise in den Rückführungsleitungskreislauf vom Austreiberwäscher zur Trennvorrichtung optional ein Rekuperator zwischengeschaltet ist.

Ferner kann zwischen der Trennvorrichtung und dem Verdampfer eine Rücklaufleitung mit Ventil angeordnet sein.

Die erste Komponente kann von der Trennvorrichtung als Dampf bzw. Gas in den Verdampfer geleitet werden. Die zweite Komponente kann als Dampf bzw. Gas aus dem Austreiberwäscher abgeleitet werden. Wenn die zweite Komponente thermische Energie an das Arbeitsmittel im Verdampfer abgibt, wird die zweite Komponente hierbei kondensiert und nach dem Wärmetausch wird das Kondensat der zweiten Komponente dem Verdampfer zugeleitet. Das im Verdampfer gebildete dampfförmige bzw. gasförmige Gemisch , d.h. Arbeitsmittel, wird unter Überdruck der Niederdruckentspannungsvorrichtung zugeführt. Hier wird das Arbeitsmittel druckentspannt und ggf. temperaturerniedrigt. Die hierbei freiwerdende Energie kann zur Umwandlung in mechanische und/oder elektrische Energie umgewandelt werden. Das Austreibungsmittel kann in fließfähiger Form, vorzugsweise in flüssiger Form dem Austreiberwäscher zugeführt werden, um die erste Komponente zu absorbieren. Das Kondensat, auch als Gemenge bezeichnet, aus erster Komponente und Austreibungsmittel wird in fließfähiger Form, bevorzugt als Flüssigkeit, der Trennvorrichtung zugeführt. Gegebenfalls kann in den Kreislauf des Austreibungsmittel ein Rekuperator, zwecks Wärmeaustausch zwischengeschaltet sein. Die so gewonnene thermische Energie kann der Trennvorrichtung und/oder dem Verdampfer zugeführt werden.

Die erfindungsgemäße Anlage wird nachstehend ausführlich beschrieben.

Der Gegenstand der Erfindung bezieht sich auf eine Anlage mit einem Verdampfer, in dem ein Arbeitsmittel umfassend erste und zweite Komponente/n, nachstehend auch als Gemisch bezeichnet, vorzugsweise ein azeotropes Gemisch ausbildet, welches im Verdampfer verdampft und gegebenenfalls eine Druckerhöhung erfährt. Diese komprimierte gasförmige Gemisch wird einer Niederdruck-Entspannungsvorrichtung, mit einer Absorptionsvorrichtung, die in der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung integriert ist und/oder der Niederdruck- Entspannungsvorrichtung nachgeschaltet ist zugeführt, wobei in der Absorptionsvorrichtung eine erste Komponente des Arbeitsmittels durch ein Absorptionsmittel absorbierbar ist und

Wärme auf die verbleibende, dampfförmige zweite Komponente übertragbar ist, die rück- führbar ist. In der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung wird das Arbeitsmittel-Gemisch aus erster Komponente/n und zweiter Komponente/n entspannt und gegebenenfalls erfährt das Arbeitsmittel-Gemisch eine Temperaturerniedrigung.

Sofern die verfügbare Wärmeenergie nicht auf einem hinreichend hohen Temperaturniveau zur Verfügung steht, wird zunächst die Wärmeenergie mit Hilfe von mindestens einer Wärmequelle bzw. Energiequelle, bevorzugt Wärmepumpe, auf das geforderte Temperaturniveau für die Verdampfung des Arbeitsmittels bzw. für die Trennung der ersten Komponente vom Austreibungsmittel durch thermische Desorption transformiert.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung wird dazu der beschriebene Absorptions-Desorptions- Prozess mit einer azeotropen Mischung als Arbeitsmittel unter Verzicht auf die Niederdruckentspannung als Chemiesorptions-Wärmepumpe genutzt. Die Funktionsweise dieser Wärmepumpe entspricht also sinngemäß den vorstehenden Ausführungen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, wird die von dem Gemenge aus erster Komponente und Austreibungsmittel freigesetzte Absorptionswärmeenergie der ersten Komponente zur Verdampfung der zweiten Komponente/n des Arbeitsmittels genutzt, das dann durch Wärmeenergieeintrag, gegebenenfalls mittels einer Wärmepumpe, auf ein höheres Temperaturniveau transformiert wird, um dort ein "zweites" Arbeitsmittel für die Niederdruck-Entspannung zu verdampfen, das anschließend in einer Niederdruck-Entspannungsvorrichtung entspannt wird, wobei die hierbei freiwerdende Energie wenigstens teilweise in mechanische und/oder elektrische Energie umgesetzt wird.

In einer weiteren Ausführungsform für eine Wärmepumpe, mit der die Wärmeenergie (1) auf ein hinreichend hohes Temperaturniveau transformiert wird, wird eine erfindungsgemäße Wärmepumpe mit mindestens einem mechanischen Verdichter vorgesehen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass einerseits die Temperaturerhöhung des Arbeitsmittels durch eine mechanische Verdichtung erfolgt und andererseits die Temperatur des Arbeitsmittels zusätzlich mittels eines Verdichters durch einen Wärmeaustausch mit einer zweiten Komponente/n, die im Wärmeenergieaustausch mit dem Arbeitsmittel steht, und/oder andererseits zusätzlich mittels eines Betriebsmittels, das als Absorptionsmittel wirkt, erhöht wird, wobei das Absorptionsmittel eine erste Komponente des Arbeitsmittels, das durch ein Gemisch gebildet ist, in und/oder nach dem Verdichter absorbiert, wobei Wärme auf die verbleibende, dampfförmige zweite Komponente übergeht. Der Wirkungsgrad lässt sich durch das erfindungsgemäße Verfahren erheblich verbessern.

Zum einen erfolgt die Temperaturerhöhung des Arbeitsmittels aufgrund der Verdichtung des Arbeitsmittels. Zum anderen besteht die Möglichkeit, die Temperaturerhöhung durch einen Wärmetausch mit dem Betriebsmittel zu realisieren. Hierbei ist der Verdichter vorzugsweise als flüssigkeitsüberlagerter Verdichter ausgebildet. Beispielsweise kann es sich hierbei um eine Flüssigkeitsringpumpe oder einen flüssigkeitsüberlagerten Schraubenverdichter handeln. Besonders vorteilhaft ist, dass diese flüssigkeitsüberlagerten Verdichter mit hochsiedenden Betriebsmitteln betrieben werden können. Da in den flüssigkeitsüberlagerten Verdichtern das Betriebsmittel keine Schmierfunktion sondern eine reine Dichtungsfunktion ausübt, können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren praktisch beliebige Arbeitsmittel bis hin zu Wasser eingesetzt werden, die hohe molare Verdampfungswärmen aufweisen, im Niederdruckbereich große Temperatursprünge haben und hohe Betriebstemperaturen des Verdichters erlauben.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen verfahrenstechnischen Trennung von Verdichtung und Erwärmung in der Flüssigkeitsringpumpe liegt in der Möglichkeit, Temperaturen des Arbeitsmittels nach der Temperaturerhöhung von über 180 ⁴ O realisieren zu können. Besonders günstig sind Betriebsmittel wie hochsiedende Silikonöle oder Diesteröle oder Weichmacher wie Dioctylphthalat mit Viskositäten bis zu 50 centistoke (cts). Vorteilhafterweise ist die Siedetemperatur des Betriebsmittels höher als die Temperatur des Arbeitsmittels nach der Temperaturerhöhung.

Ferner ist es möglich, dass das Arbeitsmittel ein einkomponentiges Lösemittel ist, beispielsweise Wasser oder ein höhersiedendes Lösemittel.

Vorzugsweise ist dem Verdichter eine Trennanordnung nachgeschaltet. Bei der Verwendung eines flüssigkeitsüberlagerten Verdichters besteht die Möglichkeit, dass sich im dampfförmigen Arbeitsmittel geringe Mengen des Betriebsmittels des Verdichters anreichern können. Die Trennanordnung sorgt dafür, dass diese Anteile aufgefangen werden und wieder zurück zum Verdichter geführt werden.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann ein Aerosolabscheider der Trennanordnung nachgeschaltet sein, der kleinste Partikel (Tröpfchen) des Betriebsmittels aus dem dampfförmigen Arbeitsmittel auffangen kann, die ebenfalls zum Verdichter befördert werden.

Etwaig sich ansammelndes Öl kann in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wieder in den Verdichter gefördert werden.

Zweckmäßigerweise ist der Trennanordnung und/oder dem Aerosolabscheider ein Kondensator nachgeschaltet, wobei das anfallende Kondensat der ersten Komponente/n und/oder Arbeitsmittel dem Verdampfer zugeführt wird. Im Kondensator kondensiert die erste Komponente/n und/oder Arbeitsmittel unter einem erhöhtem Druck, der dirch den Verdichter &- zeugt wurde, wobei erste Komponente/n und/oder Arbeitsmittel Wärme auf einem hohen Temperaturniveau abgeben kann. Das anfallende Kondensat gelangt vorzugsweise über ein Entspannungsventil wieder zum Verdampfer zurück.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung betrifft die Nutzung der Wärmeenergie aus der atmosphärischen Luft als Energiequelle mit dem darin als Luftfeuchtigkeit gelösten Wasserdampf. Beispielsweise kann das bei der Verwendung von Wärmepumpe/n als Energiequelle auftretende Kondensat-Wasser in einem zusätzlichen Verfahrensschritt zu Brauchwasser und/oder zu Wasser mit Trinkwasserqualität aufbereitet wird.

Unter energetischen Gesichtspunkten stellt die Atmosphärenluft mit dem darin gelösten Wasserdampf ein großes, praktisch unerschöpfliches Energiereservoir dar. Entscheidend ist dabei, dass unter Berücksichtigung aktueller meteorologischer Daten dieses Energiereservoir, das von der fühlbaren Wärme der Luft und der latenten Wärme des Wasserdampfes gebildet wird, überall auf der Welt, also standortunabhängig vorhanden ist. Dieses Energiereservoir wird von der Sonneneinstrahlung ständig nachgefüllt. Letztlich ist also die Umwandlung der in feuchter Luft enthaltenen Wärmeenergie in mechanische Energie eine indirekte Nutzung der Wärmeenergie aus der Sonnenstrahlung.

Der entscheidende Vorteil von Luft mit dem darin als Luftfeuchtigkeit gelösten Wasserdampf als Energiespeicher für die Sonnenstrahlung liegt in ihrem fluiden Charakter, so dass sie aufgrund natürlicher oder erzeugter Strömung in großen Volumenströmen durch Wärmeaustauschapparate geführt werden kann, so dass die apparatetechnisch nutzbare Menge an Wärmeenergie zeitlich und räumlich von der begrenzten Strahlungsleistung der Sonne entkoppelt werden kann. Damit kann dieses unerschöpfliche und an allen Standorten weltweit gegebene Energiereservoir jederzeit und standortunabhängig technisch genutzt werden.

Mit Bezug auf die vorstehenden Ausführungen sieht eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, die Wärmeenergie aus feuchter Umgebungsluft in einen Verdampfer zur Verdampfung eines geeigneten Arbeitsmittels aufzunehmen und, falls erforderlich nach einer abhängig von den realen Umgebungsbedingungen bei Temperatur und Feuchtigkeit Transformation auf ein höheres Temperaturniveau mit einer oder mehreren Wärmepumpen den Dampf über eine Niederdruck-Entspannungsvorrichtung entsprechend den vorstehenden Ausführungen zu entspannen, wobei zum Teil die Wärmeenergie in mechanische Energie umgewandelt wird und die noch im entspannten Arbeitsmittel enthaltene Energie rückführbar ist. Dabei werden einerseits die gasförmigen Anteile abgekühlt, andererseits abhängig von den Temperaturniveaus der Wärmeaustauschprozesse die enthaltene Luftfeuchtigkeit zum überwiegenden Teil kondensiert, wobei die hohe Kondensationswärme des Wassers für den Prozess gewonnen wird.

Bei hinreichend hohen Umgebungstemperaturen und Luftfeuchtigkeiten sowie der Verwendung von azeotropen Mischungen mit hinreichend niedrigen Siedepunkten als Arbeitsmittel kann die Umwandlung vorteilhafterweise auch ohne Zwischenschaltung einer Wärmepumpe realisiert werden.

Der mittlere Arbeitsziffer der erfindungsgemäßen Anlage zur Umwandlung von Wärmeenergie von Fluiden in mechanische Energie bei einer Ausgangs-Fluidtemperatur von 25° C ermittelt über 24 Stunden macht 2,5 bis 12 aus. Die mittlere Arbeitsziffer kann für erfindungsgemäße Anlagen 3 bis 10 oder 4 bis 8 ausmachen. Bevorzugt liegt die mittlere Arbeitsziffer für erfindungsgemäße Anlagen bei 5 bis 6.

Arbeitsziffern oberhalb von 4 kann man beispielsweise durch die Verwendung von Absorptionswärmepumpen und/oder Wärmepumpen mit Flüssigkeitsüberlagerten Verdichtersystemen erreichen, wie beispielsweise in der PCT/EP2004/053651 beschrieben sind, auf die hier im vollem Umfang Bezug genommen wird.

Der Gesamtwirkungsgrad der erfindungsgemäßen Anlage zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie liegt vorzugsweise bei > 40%, bevorzugt > 50% und besonders bevorzugt bei > 60%.

Es lassen sich beispielsweise 15% bis 40%, vorzugsweise 20% bis 35% und bevorzugt 25% bis 30%, der freiwerdenden Energie durch die Entspannung des Arbeitsmittels an der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung für die Umsetzung in mechanische Energie nutzen.

Bei den erfindungsgemäßen Anlagen kann es vorteilhaft sein, wenn die Temperatur des Arbeitsmittels vor der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung höher ist, als die Temperatur des Arbeitsmittels nach der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung und vor der Absorptions Vorrichtung. Hingegen ist die Temperatur des Arbeitsmittels in der Verdampfereinheit höher als

die Temperatur des Arbeitsmittels nach der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung und vor der Absorptionsvorrichtung.

Die Temperatur des Arbeitsmittels im Verdampfer kann 10° C bis 250° C, vorzugsweise 20° C bis 200° C, bevorzugt 30° C bis 150° C, weiter bevorzugt 40° C bis 130° C und besonders bevorzugt 50° C bis 100° C ausmachen. Am meisten bevorzugt liegt die Temperatur des Arbeitsmittels im Verdampfer oberhalb der Siedetemperatur.

Der Überdruck des Arbeitsmittels, bezogen auf Normaldruck (Atmosphärischer Druck), vor der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung kann im Bereich von 0,3 bar bis15 bar liegen. Höhere Drücke sind möglich, allerdings bedürfen derartige Anlagen einen erhöhten Materialaufwand, so dass der Überdruck des Arbeitsmittels in der Zuleitung vom Verdampfer zu der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung vorzugsweise im Bereich von 1 bar bis10 bar, weiter bevorzugt im Bereich von 1 ,5 bar bis 8 bar, noch bevorzugt im Bereich von 2 bar bis 6 bar und außerdem bevorzugt im Bereich von 3 bar bis 4 bar, liegen.

Die Druckdifferenz ΔP des Arbeitsmittels vor der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung und unmittelbar nach cer Entspannung des Arbeitsmittels aber vor der Absorptionseinrichtung sollte ΔP 0,1 bar bis 5 bar, vorzugsweise sollte ΔP 0,5 bar bis 3 bar und bevorzugt sollte ΔP

0,75 bar bis 1 bar ausmachen.

Bei Verwendung eines Arbeitsmittels umfassend als erste Komponente Wasser und als zweite Komponente Silikon können beispielsweise im Verdampfer eine Temperatur von 100°

C und ein Überdruck, bezogen auf Normaldruck, von etwa 1 bar vorliegen. In der Trennvorrichtung, auch als Austreiberaggregat bezeichnet, kann eine Temperatur zum Austreiben bzw. zur Desorption der ersten Komponente von dem Austreibungsmittel, d.h. Gemenge, von etwa 200° C und einen Überdruck, bezogen auf Normaldruck, von etwa 1 bar aufweisen. Die abgetrennte dampfförmige erste Komponente kann eine Dampftemperatur von etwa 120° C und einen Überdruck, bezogen auf Normaldruck, von etwa 1 bar aufweisen. Im

Austreiberwäscher herrscht Normaldruck, wobei die zweite Komponente des Arbeitsmittels eine Verdampfungstemperatur von etwa 90° C bis 120° C aufweist.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf Figur 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im einzelnen beschrieben wird. Dabei können die in den Ansprüchen und der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigt

Figur 1 eine Anlage zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische/elektrische und thermische Nutzenergie in variablem Verhältnis.

Hierbei wird eine Ausführungsform mit einer Niederdruck-Entspannung mit einem azeotro- pen Gemisch als Arbeitsmittel, Absorption der ersten Komponente in einem Wäscher und Desorption in einer Trennvorrichtung, nachstehend als Austreiberaggregat bezeichnet, über eine Auskopplung der Nutzwärme über einen Wärmetauscher in der Rückführungsleitung der dampfförmig verbleibenden zweiten Komponente des Arbeitsmittelgemisches zugrundegelegt.

Die extern eingebrachte Wärmeenergie der Energiequelle (1) beheizt eine Trennvorrichtung (2), in dem sich eine alkalische Silikatlösung als Absorptionslösung mit absorbiertem Wasser befindet. Die Absorptionslösung wird durch die eingebrachte Wärmeenergie so weit erhitzt, dass das absorbierte Wasser desorbiert und als Brüden in den Verdampfer (3) übertritt und durch Wärmeaustausch bzw. Kondensation die darin befindliche zweite Komponente erwärmt und ein Gemisch aus erster und zweiter Komponente ausbildet, nachstehend als Arbeitsmittel bezeichnet. Für das als Arbeitsmittel verwendete Gemisch ist beispielhaft eine azeotrope Mischung aus Wasser und Silikon gewählt. Der im Verdampfer (3) erzeugte Treibdampf wird über die Entspannungsvorrichtung (4) entspannt, wobei die Energie des Treibdampfs des Arbeitsmittels zumindest teilweise in mechanische Kraft umgewandelt wird, die mit Hilfe des angeschlossenen Generators (5) in elektrische Energie umgewandelt wird.

Das entspannte Arbeitsmittel wird in dem nachgeschalteten Austreiberwäscher (6) mit einem Austreibungsmittel, nachstehend auch als Absorptionslösung bezeichnet, aus dem Austreiberaggregat (2) gewaschen, wobei der Wasseranteil im entspannten Treibdampf absorbiert wird. Durch die Absorption wird zum einen durch Reduzierung der Teilchenzahl die für die Entspannung gewünschte Druckminderung realisiert, zum anderen wird die freigesetzte Absorptionsenergie auf die dampfförmig verbleibende zweite Komponente, hier Silikon, übertragen. Dadurch wird diese zweite Komponente auf ein Temperaturniveau erwärmt, das o- berhalb der Verdampfungstemperatur des als Arbeitsmittel dienenden azeotropen Gemisches liegt. Dieses Temperaturniveau stellt sich entsprechend den in der Anlage eingestellten Druckverhältnissen ein.

Die so erwärmte dampfförmige zweite Komponente wird über eine Dampfleitung einer Wärmetauschereinheit (8) zugeleitet, und gibt dort im Wärmeaustausch Energie an eine Kopplungseinrichtung, wie einem Heizkreislauf (9), beispielsweise zur Versorgung wärmeverbrauchender Prozesse ab. Entsprechend abgekühlt bzw. teilkondensiert verlässt die zweite Komponente die Wärmetauschereinheit (8) und wird in einer Leitung durch und/oder an den Verdampfer (3) geführt, zwecks Wärmetausch mit dem im Verdampfer befindlichen siedenden Arbeitsmittel, wobei die geleitete zweite Komponente unter Abgabe seiner Kondensationswärme an das Arbeitsmittel vollständig kondensiert.

Das kondensierte Arbeitsmittel wird anschließend mit der Pumpe (7) zurück in den Verdampfer (3) gefördert. Die Absorptionslösung wird zwischen der Trennvorrichtung (2) und Austreiberwäscher (6) umgepumpt, wobei ein Rekuperator (11) zwischen Vor- und Rücklauf eine Abkühlung der Absorptionslösung vor Eintritt in den Austreiberwäscher bewirkt und damit eine Verbesserung der Absorptionsfähigkeit bezüglich der ersten Komponente. Die damit erreichte Entkopplung von Absorptions- und Desorptionstemperatur verbessert die Stabilität des Absorptions-/Desorptions- bzw. Kondensations-Prozesses. Eine RücMaufleitung zwischen Trennvorrichtung (2) und Verdampfer (3) dient zur Stabilisierung der Zusammensetzung des Gemisches.

Die erfindungsgemäße Anlage kann zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische, elektrische und/oder thermische Energie verwendet werden.

Die erfindungsgemäße Anlage kann insbesondere zum Beheizen und/oder zur Energieversorgung von Gebäuden und dergleichen verwendet werden.

Die erfindungsgemäße Anlage kann allein oder in Kombination mit herkömmlichen Antriebssystemen, z.B. Verbrennungsmotoren oder Batterien, verwendet werden. So lassen sich beispielsweise Hybridantriebe realisieren.

Die erfindungsgemäße Anlage kann allein oder in Kombination mit mindestens einem Verbrennungs- oder Elektromotor in der Ausführungsform eines Hybridantriebs zum Antrieb sehr unterschiedlicher mobiler Systeme genutzt werden.

Grundsätzlich sind als mobile Systeme Kraftfahrzeuge, Schiffe und/oder Flugkörper denkbar.

Bezuqszeϊchen liste

1 Energiequelle

2 Trennvorrichtung, Austreiberaggregat

3 Verdampfer

4 Niederdruck-Entspannungsaggregat

5 Generator

6 Austreiberwäscher, Wäscher

7 Pumpe, Umwälzpumpe

8 Wärmeaustauschereinheit

9 Kopplungseinrichtung für Heizungsnetz, Wärmeverbraucher

10 Pumpe

11 Rekuperator, Wärmeaustauschereinheit

12 Rücklauf leitung mit Ventil