Verfahren und Einrichtung zur Energiegewinnung unter Ausnützung geringer Temperaturunterschiede Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Energiegewinnung unter Ausnützung geringer Temperaturunterschiede, bei welchem ein Arbeitsmedium in einem Kreislauf zirkuliert sowie auf eine Einrichtung zur Durchführung des Verfah rens. Es sind bereits Verfahren zur Energiegewin nung unter Ausnützung geringer Temperaturunter schiede bekanntgeworden, bei denen ein Arbeits medium verdampft wurde, und der Dampfdruck zur Auswertung herangezogen wurde.
Fernerhin ist es möglich, mittels Wärmepumpen eine gege bene Temperaturdifferenz zu erhöhen, so dass über diesen Umweg eine Energieauswertung denkbar ist. Von den genannten Möglichkeiten konnte sich bisher keine für grössere Projekte durchsetzen, da der apparative Aufwand in keinem Verhältnis zu der mit der Anlage erreichten Leistung stand.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist nun dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium an einem Punkt höherer Temperatur und niedrigerer geographischer Lage verdampft und an einem Punkt niedriger Temperatur und höherer geographischer Lage kondensiert wird, wobei der Dampfdruck aus reichen muss, die Höhendifferenz zu überwinden, so dass das Arbeitsmedium eine potentielle Ener gie gewinnt.
Die Einrichtung zur Durchführung des Ver fahrens kennzeichnet sich durch einen als Ver dampfer arbeitenden Wärmeaustauscher an einem Ort höherer Temperatur, durch einen als Konden sator arbeitenden Wärmeaustauscher, der sich an dem Punkt niedriger Temperatur befindet, wobei der Kondensator eine geographisch höhere Lage be sitzt, durch zwei Verbindungsleitungen zwischen den Wärmeaustauschern, ferner durch ein Arbeits medium, welches in dem Kreis zirkuliert sowie durch mindestens eine Strömungsmaschine, welche in die Verbindungsleitung eingeschlossen ist, in welcher das Medium abwärts strömt.
In der beiliegenden Zeichnung .ist ein Aus führungsbeispiel der erfindungsgemässen Einrich tung dargestellt.
Die in der Zeichnung schematisch dargestellte Anlage besteht aus einem Wärmeaustauscher 1, der sich in einem Fluss befindet und mit dem umge benden Wasser im Austausch steht. Dieser Wärme- austauscher wirkt für ein geeignetes, in der Anlage zirkulierendes Medium als Verdampfer.
Der den Austauscher verlassende Dampf strömt über eine Steigdruckleitung 4 zu einem auf einem hohen Berg gelegenen weiteren Wärmeaustauscher 5, der mit der umgebenden Luft im Austausch steht und als Kondensator für das Medium wirkt. Das kon densierte Arbeitsmedium wird über die Falleitung 6 zu einer Turbine 7 geleitet, wo es auf Grund seiner durch die Höhendifferenz h gegebenen potentiellen Energie zur Energiegewinnung herangezogen wird. Die Turbine 7 ist über die Leitung 9 mit dem ersten als Verdampfer arbeitenden Wärmeaustauscher 1 verbunden, so dass der Kreislauf geschlossen ist.
Als Arbeitsmedium wird dabei ein Medium ver wendet, welches bei relativ niedrigen Temperaturen und hohen Drucken verdampft; für die vorliegende Anlage eignet sich beispielsweise Ammoniak (NH3).
Die Wirkungsweise der Anlage soll nun an hand eines Zahlenbeispiels im einzelnen erläutert werden, wobei Werte angenommen werden, die den tatsächlich vorkommenden Bedingungen weitgehend entsprechen.
Der Kondensator befindet sich auf einer Höhe von 2800m und kann auf Grund der herrschenden klimatischen Verhältnisse im Durchschnitt auf einer Temperatur von 0" C gehalten werden, während sich der Verdampfer in einer Höhe von 400 m ü. M. bei einer mittleren Temperatur von 20 C in dem Fluss befindet.
Der Kreislauf wird nun dadurch aufrechterhal ten, dass das Arbeitsmedium in den geographisch niedrigeren Wärmeaustauschern verdampft wird, was mit einem Druckanstieg direkt über der Flüssig keitsoberfläche verbunden ist, wobei dieser Druck in eine Höhendifferenz umgewandelt wird; er muss also ausreichen, die Höhendifferenz von 2400 m zu überwinden.
Da zur Wärmeübertragung zwischen dem Ar beitsmedium und dem umgebenden Wasser immer eine Temperaturdifferenz bestehen muss, sei ange nommen, das Medium verdampfe bei 15 C und einem Dampfdruck von 7,43 ata. Pro kg NH3 ist dabei eine Wärmemenge von 288,3 kcal er forderlich. Zwischen der wärmeabgebenden Sub stanz, also dem Flusswasser, und dem Arbeits medium besteht dabei eine Temperaturdifferenz von 5 C.
Das nach oben strömende, verdampfte Medium verbraucht einen bestimmten Druck. Unter Berück sichtigung des spezifischen Gewichtes von Ammoniak und der zu überwindenden Höhendifferenz, ferner von durch die Strömung verursachten Verlusten, ist mit einem Druck von ungefähr 6 ata in der Höhe von 2800 m, also 2400 m über dem Verdampfer, zu rechnen. Bei diesem Druck kondensiert das Ammoniak bei einer Temperatur von 8,51>C, so dass zum Temperaturaustausch an dem Konden sator eine Temperaturdifferenz von 8,511C zur Ver fügung steht.
Das Arbeitsmedium hat somit eine potentielle Energie gewonnen, die mittels einer be kannten Flüssigkeitsturbine und bekannter Genera toren in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Wird pro Sekunde 1 kg Ammoniak umge setzt, so ist bei der Fallhöhe von 2400 m mit 2400 mkg zu rechnen, was theoretisch 23,5 KW entspricht. Nach Abzug der unvermeidlichen Verluste durch Strömungswiderstände, Reibung usw. kann noch mit einer Leistung von 18 KW gerechnet werden. Soll beispielsweise unter den angenom menen klimatischen und geographischen Bedingun gen eine durchschnittliche Leistung von 6000 KW erzielt werden, so ist eine Ammoniakmenge von etwa 375 kg/sec umzusetzen.
Pro Jahr leistet die Anlage somit etwa 6,3 X 107 kWh.
In dem Verdampfer müssen bei einer Umsatz menge von 375 kg Ammoniak und einem Wärme übergang von 288,3 kcal/kg 108 000 kcal/sec um gesetzt werden. Bei einer verwendbaren Wasser menge zur Erwärmung von 50 m3/sec müsste in dem Fluss eine Wärmeaustauschfläche von 40 000 m2 vorgesehen werden.
Die Wärmeaustauschfläche des Kondensators be trägt bei der angegebenen Temperaturdifferenz, einem Wärmeumsatz von 375X295 - 110 700 kcal/sec und einer Wärmeübergangszahl von k = 110 kcal/m2. h . C (glatte Rohre) 453000 m2, erniedrigt sich jedoch bei gerippten Rohren und einer Luftgeschwindigkeit von 10 m/sec und einer Luft erwärmung auf 5 C auf etwa 250 000 m2.
Die der Berechnung zugrunde liegenden Tem peraturen entsprechen den von der Meteorologischen Zentralanstalt Zürich ermittelten Durchschnitts werten. Die Anlage arbeitet also mit. unterschied lichem Wirkungsgrad, unabhängig von der Jahres zeit, wenn angenommen werden kann, dass eine Temperaturdifferenz zwischen Verdampfer und Kondensator unabhängig von den absoluten Tem peraturen immer vorhanden ist.
Durch die Angabe der Ergebnisse genauer Be rechnungen soll klargestellt werden, dass mit durch aus normalen Mitteln eine Energiegewinnung un ter Ausnützung minimaler Temperaturdifferenzen möglich ist. Klimatische Schwankungen und zeit lich überhöhte Energieabnahmen können dadurch ausgeglichen werden, dass dem Kondensator ein grosser Vorratsbehälter beigegeben wird, aus dem im Bedarfsfalle Medium entnommen werden kann. Dieser Behälter kann bei klimatisch besonders gün stigen Bedingungen oder in Zeiten geringerer Ener gieentnahme wieder aufgefüllt oder ergänzt werden.
Neben der Ausnützung der Temperaturdifferenz zwischen einem auf einem Berg gelegenen Konden sator und einem in einem Fluss gelegenen Ver dampfer sind selbstverständlich viele weitere Mög lichkeiten zur Temperaturausnützung gegeben. So kann die Talstation ebenfalls mit der Luft in Wärmeaustausch stehen. Bei der beschriebenen An lage würde sich die Wärmeaustauschfläche bei der Verwendung von Rippenrohren auf 121500 m2 erhöhen.
Daneben kann die Talstation auch einige hun dert Meter ins Erdinnere verlegt werden und die Kondensation in einem See erfolgen, beispielsweise bei 4 bis 8 C. Diese Anlage wäre nahezu keinen klimatischen Schwankungen ausgesetzt.
Die Kondensatoren bzw. Verdampfer können jedoch auch in industriellen Räumen oder Wärme gebieten vorgesehen werden, in denen eine Abküh lung oder eine Erwärmung erwünscht ist.
Weiterhin kann der Verdampfer auch mittels in der Industrie vorkommender Abfallwärme erhitzt werden, beispielsweise durch warme Abgase von Ölbrennern usw. Der Kondensator befindet sich dann in einem Wasserturm, einem höhergelegenen Fluss, einem See usw. Es sei darauf hingewiesen, dass bei höheren Temperaturdifferenzen auch in die Steigleitung eine Turbine eingeschlossen werden kann, was in einzelnen Fällen den Wirkungsgrad der Anlage erhöhen kann. Ferner besteht die Mög lichkeit, den Kondensator oder den Verdampfer nicht ortsfest, sondern beweglich vorzusehen. Der Verdampfer kann beispielsweise an einem See so angebracht sein, dass er sich wahlweise in dem See oder über der Seeoberfläche an der Luft be- findet, je nach den herrschenden Temperaturbe dingungen.
Anschliessend sei in tabellarischer Form eine Zusammenstellung der wichtigsten ausnützbaren
EMI0003.0002
Verdampfer <SEP> Kondensator <SEP> Anlage <SEP> arbeitet
<tb> Seetiefe <SEP> 4 <SEP> Luft <SEP> -10 <SEP> Winter
<tb> Kühlwasser <SEP> einer <SEP> therm. <SEP> Anlage <SEP> 30 <SEP> Kühlturm <SEP> ganze <SEP> Jahr
<tb> "
<tb> 400 <SEP> m <SEP> tief <SEP> in <SEP> der <SEP> Erde <SEP> 40 <SEP> Seetiefe <SEP> 4 <SEP> <B>33</B>
<tb> "
<tb> Kühlwasser <SEP> von <SEP> Motoren <SEP> 80 <SEP> Fluss <SEP> oder <SEP> Kühlturm <SEP> 15 <SEP> <B><I>33</I></B>
<tb> Kamin-Rauch-Gas <SEP> 240 <SEP> Fluss <SEP> 15 , <SEP> Kühlturm <SEP> "
<tb> Heisse <SEP> Thermalquellen
<tb> Ragaz, <SEP> Baden <SEP> usw.
<SEP> 40 <SEP> Fluss <SEP> oder <SEP> Kühlturm <SEP> 15 <SEP> "
<tb> warme <SEP> Abwasser <SEP> von <SEP> Grosskühlanlagen <SEP> 40 <SEP> See <SEP> mit <SEP> Ventilator
<tb> Fluss, <SEP> Kühlturm <SEP> 15 <SEP> <B>59</B> <SEP> "
<tb> 28 <SEP> Abwasser <SEP> 5000 <SEP> m3/täglich
<tb> Kehricht-Verbrennungsanstalt <SEP> Zürich <SEP> Fluss <SEP> 0-15 , <SEP> Kühlturm <SEP> 0-15 <SEP> " <SEP> _
<tb> Heizräumen, <SEP> Maschinenräumen <SEP> von <SEP> Fabriken <SEP> 30
<tb> Ozeandampfer <SEP> usw. <SEP> 30
<tb> (Verdampfer <SEP> dient <SEP> zugleich <SEP> als <SEP> Kühlanlage) <SEP> Fluss <SEP> 15 , <SEP> Kühlturm <SEP> 15 <SEP> <B><I>39</I></B>
<tb> "
Method and device for generating energy using small temperature differences The present invention relates to a method for generating energy using small temperature differences, in which a working medium circulates in a circuit, and to a device for carrying out the method. There are already methods for generating energy using low temperature differences have become known in which a working medium was evaporated and the vapor pressure was used for evaluation.
Furthermore, it is possible to increase a given temperature difference by means of heat pumps, so that an energy evaluation is conceivable via this detour. So far none of the options mentioned has been able to prevail for larger projects, since the expenditure on equipment was out of proportion to the performance achieved with the system.
The method of the present invention is now characterized in that the working medium evaporates at a point of higher temperature and lower geographic location and is condensed at a point of lower temperature and higher geographic location, the vapor pressure must be sufficient to overcome the difference in altitude, so that the working medium gains potential energy.
The device for carrying out the process is characterized by a heat exchanger working as a Ver evaporator at a higher temperature location, by a heat exchanger working as a condenser, which is located at the point of lower temperature, the condenser being in a geographically higher location two connecting lines between the heat exchangers, further through a working medium which circulates in the circuit and through at least one flow machine which is included in the connecting line in which the medium flows downwards.
In the accompanying drawing, an exemplary embodiment of the device according to the invention is shown.
The system shown schematically in the drawing consists of a heat exchanger 1, which is located in a river and is in exchange with the surrounding water. This heat exchanger acts as an evaporator for a suitable medium circulating in the system.
The steam leaving the exchanger flows via a rising pressure line 4 to a further heat exchanger 5 located on a high mountain, which is in exchange with the surrounding air and acts as a condenser for the medium. The condensed working medium is passed through the downpipe 6 to a turbine 7, where it is used to generate energy due to its potential energy given by the height difference h. The turbine 7 is connected via the line 9 to the first heat exchanger 1 operating as an evaporator, so that the circuit is closed.
The working medium used is a medium that evaporates at relatively low temperatures and high pressures; Ammonia (NH3), for example, is suitable for this system.
The mode of operation of the system will now be explained in detail using a numerical example, assuming values that largely correspond to the conditions that actually occur.
The condenser is located at an altitude of 2800 m and, due to the prevailing climatic conditions, can be kept on average at a temperature of 0 "C, while the evaporator is at an altitude of 400 m above sea level with an average temperature of 20 C. located in the river.
The cycle is now maintained by the fact that the working medium is evaporated in the geographically lower heat exchangers, which is associated with a pressure rise directly above the liquid surface, this pressure being converted into a height difference; so it must be enough to overcome the difference in altitude of 2400 m.
Since there must always be a temperature difference between the working medium and the surrounding water for heat transfer, let us assume that the medium evaporates at 15 C and a vapor pressure of 7.43 ata. A heat quantity of 288.3 kcal is required per kg of NH3. There is a temperature difference of 5 ° C between the heat-emitting substance, i.e. the river water, and the working medium.
The vaporized medium flowing upwards consumes a certain pressure. Taking into account the specific gravity of ammonia and the height difference to be overcome, as well as losses caused by the current, a pressure of about 6 ata at an altitude of 2800 m, i.e. 2400 m above the evaporator, can be expected. At this pressure, the ammonia condenses at a temperature of 8.51> C, so that a temperature difference of 8.511C is available for temperature exchange at the condenser.
The working medium has thus gained a potential energy that can be converted into electrical energy by means of a known liquid turbine and known generators. If 1 kg of ammonia is converted per second, then at a height of fall of 2400 m, 2400 mkg is to be expected, which theoretically corresponds to 23.5 kW. After deducting the inevitable losses due to flow resistance, friction, etc., an output of 18 KW can still be expected. If, for example, an average output of 6000 KW is to be achieved under the assumed climatic and geographical conditions, an ammonia quantity of about 375 kg / sec must be implemented.
The system thus produces around 6.3 X 107 kWh per year.
In the evaporator, with a conversion rate of 375 kg ammonia and a heat transfer of 288.3 kcal / kg, 108,000 kcal / sec must be implemented. With a usable amount of water for heating of 50 m3 / sec, a heat exchange area of 40,000 m2 would have to be provided in the river.
The heat exchange surface of the condenser is with the specified temperature difference, a heat conversion of 375X295 - 110 700 kcal / sec and a heat transfer coefficient of k = 110 kcal / m2. H . C (smooth pipes) 453,000 m2, but with ribbed pipes and an air speed of 10 m / sec and air heating to 5 C this is reduced to about 250,000 m2.
The temperatures on which the calculation is based correspond to the average values determined by the Zurich Meteorological Institute. The system works with it. Different degrees of efficiency, regardless of the time of year, if it can be assumed that there is always a temperature difference between the evaporator and the condenser, regardless of the absolute temperatures.
By specifying the results of precise calculations, it should be made clear that it is possible to use normal means to generate energy using minimal temperature differences. Climatic fluctuations and excessive energy consumption can be compensated for by adding a large storage container to the condenser, from which medium can be withdrawn if necessary. This container can be refilled or supplemented under particularly favorable climatic conditions or in times of low energy consumption.
In addition to utilizing the temperature difference between a condenser located on a mountain and an evaporator located in a river, there are of course many other possibilities for temperature exploitation. In this way, the valley station can also exchange heat with the air. With the system described, the heat exchange surface would increase to 121,500 m2 when using finned tubes.
In addition, the valley station can also be relocated a few hundred meters into the earth's interior and condensation can take place in a lake, for example at 4 to 8 C. This system would hardly be exposed to climatic fluctuations.
However, the condensers or evaporators can also be provided in industrial rooms or heat areas in which cooling or heating is desired.
Furthermore, the evaporator can also be heated by means of waste heat occurring in industry, for example by warm exhaust gases from oil burners, etc. The condenser is then located in a water tower, a higher-lying river, a lake, etc. It should be noted that with higher temperature differences also in the riser of a turbine can be included, which can increase the efficiency of the system in individual cases. Furthermore, there is the possibility of providing the condenser or the evaporator not stationary, but movable. The evaporator can, for example, be attached to a lake in such a way that it is either in the lake or in the air above the lake surface, depending on the prevailing temperature conditions.
This is followed by a summary of the most important usable ones in tabular form
EMI0003.0002
Evaporator <SEP> Condenser <SEP> System <SEP> is working
<tb> Sea depth <SEP> 4 <SEP> Air <SEP> -10 <SEP> Winter
<tb> Cooling water <SEP> of a <SEP> thermal <SEP> system <SEP> 30 <SEP> cooling tower <SEP> whole <SEP> year
<tb> "
<tb> 400 <SEP> m <SEP> deep <SEP> in <SEP> the <SEP> earth <SEP> 40 <SEP> sea depth <SEP> 4 <SEP> <B> 33 </B>
<tb> "
<tb> Cooling water <SEP> from <SEP> motors <SEP> 80 <SEP> flow <SEP> or <SEP> cooling tower <SEP> 15 <SEP> <B><I>33</I> </B>
<tb> Chimney-smoke-gas <SEP> 240 <SEP> flow <SEP> 15, <SEP> cooling tower <SEP> "
<tb> Hot <SEP> thermal springs
<tb> Ragaz, <SEP> Baden <SEP> etc.
<SEP> 40 <SEP> flow <SEP> or <SEP> cooling tower <SEP> 15 <SEP> "
<tb> warm <SEP> wastewater <SEP> from <SEP> large cooling systems <SEP> 40 <SEP> lake <SEP> with <SEP> fan
<tb> River, <SEP> cooling tower <SEP> 15 <SEP> <B> 59 </B> <SEP> "
<tb> 28 <SEP> wastewater <SEP> 5000 <SEP> m3 / daily
<tb> Waste incineration plant <SEP> Zurich <SEP> River <SEP> 0-15, <SEP> Cooling tower <SEP> 0-15 <SEP> "<SEP> _
<tb> boiler rooms, <SEP> engine rooms <SEP> of <SEP> factories <SEP> 30
<tb> Ocean liner <SEP> etc. <SEP> 30
<tb> (Evaporator <SEP> serves <SEP> at the same time <SEP> as <SEP> cooling system) <SEP> flow <SEP> 15, <SEP> cooling tower <SEP> 15 <SEP> <B> <I> 39 < / I> </B>
<tb> "