DE102019211338A1 - Heat exchanger arrangement and method for its operation - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Wärmetauscheranordnung und ein Verfahren zu deren Betrieb. Wärmetauscheranordnungen und deren Betriebsweisen zur Nutzbarmachung von Wärmeenergie sind im Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Um ein Ausdehnungsfluid in der Wärmetauscheranordnung effektiver mit veränderlichen Wärmenergiemengen beaufschlagen zu können, sieht die vorliegende Erfindung vor, bei mindestens einem ersten Wärmetauscher in dessen Innenraum eine Trennscheibe 5 verschiebbar anzuordnen zum Unterteilen seines Innenraums in einen oberen Teilraum 1-1 zur Aufnahme einer ersten Wärmeübertragungsflüssigkeit 9 und zum dortigen Erwärmen und Expandieren eines ersten Ausdehnungsfluids oberhalb der Trennscheibe. Unterhalb der Trennscheibe ist ein unterer Teilraum 1-2 ausgebildet zur Aufnahme einer zweiten Wärmeübertragungsflüssigkeit mit einer Temperatur T2, welche kleiner ist als die Temperatur T1 der ersten Wärmeübertragungsflüssigkeit. Die zweite Wärmeübertragungsflüssigkeit dient zum Abkühlen und Kontrahieren des Ausdehnungsfluids 11 in dem Teil eines internen Rohrleitungsabschnittes des ersten Wärmetauschers, welcher in dem unteren Teilraum 1-2 angeordnet ist.The invention relates to a heat exchanger arrangement and a method for its operation. Heat exchanger arrangements and their modes of operation for harnessing thermal energy are known in principle in the prior art. In order to be able to more effectively apply variable amounts of heat energy to an expansion fluid in the heat exchanger arrangement, the present invention provides for a separating disk 5 to be displaceably arranged in the interior of at least one first heat exchanger in order to subdivide its interior into an upper subchamber 1-1 for receiving a first heat transfer fluid 9 and for heating and expanding a first expansion fluid there above the cutting disk. Underneath the separating disk, a lower subspace 1-2 is formed for receiving a second heat transfer fluid with a temperature T2 which is lower than the temperature T1 of the first heat transfer fluid. The second heat transfer fluid serves to cool and contract the expansion fluid 11 in that part of an internal pipeline section of the first heat exchanger, which is arranged in the lower subspace 1-2.
Description
Die Erfindung betrifft eine Wärmetauscheranordnung zur Nutzbarmachung von Wärmeenergiemenge nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfahren zu deren Betrieb.The invention relates to a heat exchanger arrangement for utilizing the amount of thermal energy according to the preamble of claim 1 and a method for its operation.
Die Nutzbarmachung von Wärmeenergiemenge in einem Ausdehnungsfluid mittels Wärmetauscher ist allgemein bekannt. Mit Wärmetauschern wird thermische Energie von einem Ausdehnungsfluid auf ein anderes Medium übertragen, das beispielsweise zum Antreiben von einer Turbine dient. Dazu werden in dem Wärmetauscher beide Medien aneinander vorbei geführt, ohne dass sie sich vermischen können. Durch den engen Kontakt wird dabei Wärme von dem wärmeren Medium an das kältere Medium abgegeben.The utilization of the amount of thermal energy in an expansion fluid by means of heat exchangers is well known. With heat exchangers, thermal energy is transferred from an expansion fluid to another medium, which is used, for example, to drive a turbine. For this purpose, both media are guided past each other in the heat exchanger without being able to mix. As a result of the close contact, heat is transferred from the warmer medium to the colder medium.
Aus der WO 2016 / 134 440 A sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Umwandeln von Wärmeenergiemenge in mechanische Energie bekannt. Bei diesem Stand der Technik wird die Verbesserung des Wirkungsgrades einer Wärmekraftmaschine angestrebt.A device and a method for converting the amount of thermal energy into mechanical energy are known from WO 2016/134 440 A. In this prior art, the aim is to improve the efficiency of a heat engine.
Die
Ein Nachteil beim Stand der Technik besteht darin, dass die beispielsweise aus Solarkollektoren gewonnene Wärmeenergiemenge bei kleinen und mittelgroßen Anlagen, wie z.B. bei Privathaushalten üblich, im Sommer nicht vollständig genutzt werden kann. Außerdem ist die Stromspeicherung mittels Akkus bei Photovoltaik-Anlagen sehr kostenintensiv, zudem sind die Ressourcen für leistungsfähige Akkus begrenzt.A disadvantage of the prior art is that the amount of thermal energy obtained, for example, from solar collectors, cannot be fully used in small and medium-sized systems, such as is common in private households, for example. In addition, electricity storage using batteries in photovoltaic systems is very cost-intensive, and the resources for high-performance batteries are limited.
Ausgehend von diesem Stand der Technik stellt sich die Erfindung die Aufgabe, eine bekannte Wärmetauscheranordnung und ein bekanntes Verfahren zu deren Betrieb dahingehend weiterzubilden, dass ein Ausdehnungsfluid effektiver mit veränderlichen Wärmeenergiemengen beaufschlagt werden kann.Based on this prior art, the invention has the object of developing a known heat exchanger arrangement and a known method for its operation in such a way that variable amounts of thermal energy can be applied to an expansion fluid more effectively.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 1 und das Verfahren zu deren Betrieb nach Anspruch 15. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.This object is achieved by the heat exchanger arrangement according to claim 1 and the method for its operation according to
Der Erfindung liegt der folgende Gedanke zugrunde:
- Wenn ein Ausdehnungsfluid mit Wärme beaufschlagt wird, so dehnt es sich seinem stoffspezifischen Ausdehnungskoeffizienten entsprechend aus. Umgekehrt zieht es sich bei Beaufschlagung mit Kälte, d. h. bei Abkühlung entsprechend seinem stockspezifischen Ausdehnungskoeffizienten zusammen. Die erfindungsgemäße Wärmetauscheranordnung ermöglicht es vorteilhafterweise, das Ausdehnungsfluid zeitlich abwechselnd zu erwärmen und abzukühlen und es auf diese Weise zu einer abwechselnden Ausdehnung und Kontraktion zu veranlassen.
- When an expansion fluid is exposed to heat, it expands according to its substance-specific expansion coefficient. Conversely, when it is exposed to cold, ie when it cools down, it contracts according to its stick-specific coefficient of expansion. The heat exchanger arrangement according to the invention advantageously enables the expansion fluid to be alternately heated and cooled over time and in this way to cause it to expand and contract alternately.
Zu diesem Zweck sieht die vorliegende Erfindung vor, dass in dem Innenraum eines ersten Wärmetauschers eine verschiebbare Trennscheibe angeordnet ist, welche den Innenraum in einen oberen und einen unteren Teilraum unterteilt. Ein in dem Innenraum des Wärmetauschers angeordneter interner Rohrleitungsabschnitt liegt teilweise in dem oberen und teilweise in dem unteren Teilraum. Der Rohrleitungsabschnitt wird mit einem ersten Ausdehnungsfluid befüllt. Der obere Teilraum wird mit einer ersten Wärmeübertragungsflüssigkeit mit einer Temperatur T1 befüllt und führt auf diese Weise zu einer Erwärmung oder Abkühlung des ersten Ausdehnungsfluids in dem Teil des inneren Rohrleitungsabschnittes, welcher in dem oberen Teilraum angeordnet ist, vorzugsweise auf die Temperatur T1. Der zweite untere Teilraum wird mit einer zweiten Wärmeübertragungsflüssigkeit befüllt, deren Temperatur T2 ungleich der Temperatur T1 der ersten Wärmeübertragungsflüssigkeit ist. In dem unteren Teilraum erfolgt eine Erwärmung oder Abkühlung des ersten Ausdehnungsfluids vorzugsweise auf die Temperatur T2, soweit es sich in dem Teil des internen Rohrleitungsabschnittes befindet, welcher in dem unteren Teilraum angeordnet ist. Ob eine Erwärmung oder Abkühlung stattfindet richtet sich im Einzelfall danach, ob die Temperatur der jeweiligen Wärmeübertragungsflüssigkeit größer oder kleiner ist als die Temperatur des von der Wärmeübertragungsflüssigkeit umgebenen Ausdehnungsfluids. Ob das Ausdehnungsfluid tatsächlich die Temperatur T1 oder T2 der umgebenden Wärmeübertragungsflüssigkeit erreicht, hängt von der Zeitdauer der Wärmeübertragung ab. Ist diese Zeitdauer zu kurz, werden die Temperaturen T1 bzw. T2 nicht erreicht; deshalb die Formulierung „vorzugsweise“. Das Erreichen von T1 bzw. T2 bei dem mindestens einen Ausdehnungsfluid ist aber für die vorliegende Erfindung nicht wesentlich; wesentlich ist lediglich, dass überhaupt eine Temperaturänderung bzw. eine Temperaturdifferenz bei dem mindestens einen Ausdehnungsfluid eintritt. Durch Hin- und Her-Verschieben der Trennscheibe in dem Innenraum wird einmal das Volumen des oberen Teilraumes und ein anderes Mal das Volumen des unteren Teilraums vergrößert. Auf diese Weise findet ein abwechselndes Erwärmen und Abkühlen des ersten Ausdehnungsfluids innerhalb des ersten Wärmetauschers statt. Damit einhergehend erfolgt ein abwechselndes thermisches Expandieren und Kontrahieren des ersten Ausdehnungsfluids, wobei diese Expansion und Kontraktion erfindungsgemäß in einer Kraftmaschine benutzt werden kann zum Umwandeln der Expansion und / oder der Kontraktion in Bewegungsenergie.For this purpose, the present invention provides that a sliding partition is arranged in the interior of a first heat exchanger, which divides the interior into an upper and a lower sub-space. An internal pipeline section arranged in the interior of the heat exchanger lies partly in the upper and partly in the lower subspace. The pipe section is filled with a first expansion fluid. The upper subspace is filled with a first heat transfer fluid at a temperature T1 and in this way leads to heating or cooling of the first expansion fluid in the part of the inner pipe section which is arranged in the upper subspace, preferably to temperature T1. The second lower subspace is filled with a second heat transfer liquid, the temperature T2 of which is not equal to the temperature T1 of the first heat transfer liquid. In the lower subspace, the first expansion fluid is heated or cooled, preferably to temperature T2, provided that it is located in the part of the internal pipeline section which is arranged in the lower subspace. Whether heating or cooling takes place depends in the individual case on whether the temperature of the respective heat transfer fluid is greater or less than the temperature of the expansion fluid surrounded by the heat transfer fluid. Whether the expansion fluid actually reaches the temperature T1 or T2 of the surrounding heat transfer fluid depends on the duration of the heat transfer. If this period is too short, temperatures T1 and T2 are not reached; hence the phrase “preferably”. The achievement of T1 or T2 with the at least one expansion fluid is not essential for the present invention; It is only essential that there is a temperature change or a temperature difference in the at least one Expansion fluid enters. By moving the partition back and forth in the interior space, the volume of the upper sub-space is increased once and the volume of the lower sub-space is increased at another time. In this way, alternating heating and cooling of the first expansion fluid takes place within the first heat exchanger. This is accompanied by an alternating thermal expansion and contraction of the first expansion fluid, which expansion and contraction can be used according to the invention in an engine to convert the expansion and / or the contraction into kinetic energy.
Die jeweils aktuelle Temperatur des Ausdehnungsfluids liegt typischerweise zwischen den Temperaturen T1 und T2.The current temperature of the expansion fluid is typically between temperatures T1 and T2.
Der Begriff „Ausdehnungsfluid“ meint in der vorliegenden Beschreibung ein flüssiges Arbeitsmedium, welches sich je nach Temperatureinwirkung nicht nur ausdehnen sondern auch zusammenziehen (kontrahieren) kann.In the present description, the term “expansion fluid” means a liquid working medium which, depending on the temperature effect, can not only expand but also contract (contract).
Der Begriff „Rohrleitung“ steht allgemein für Fluidleitung. Es muss sich dabei nicht zwingend um ein starres Rohr handeln. Sie besteht vorzugsweise aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit.The term “pipeline” generally stands for fluid line. It does not necessarily have to be a rigid pipe. It is preferably made of a material with good thermal conductivity.
Die Zulauf- und Ablaufventile an einem einzelnen Wärmetauscher können, soweit sie dieselbe Wärmeübertragungsflüssigkeit betreffen, in Form eines einzigen bidirektional arbeitenden Ventils ausgebildet sein. Auch dieser Fall ist vom Schutzumfang der Ansprüche mit abgedeckt.The inlet and outlet valves on a single heat exchanger can, insofar as they relate to the same heat transfer fluid, be designed in the form of a single bidirectional valve. This case is also covered by the scope of protection of the claims.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist es vorteilhaft, einen zweiten Wärmetauscher mit einer ebenfalls in seinem Innenraum verschiebbar angeordneten Trennscheibe zu dem ersten Wärmetauscher fluidleitend parallel zu schalten und antizyklisch bzw. gegenphasig zu betreiben. Mit dem zweiten Wärmetauscher kann dann ein zweites Ausdehnungsfluid ebenfalls zu einer thermischen Expansion oder Kontraktion veranlasst werden, wobei diese Expansion und Kontraktion des zweiten Ausdehnungsfluids vorzugsweise antizyklisch zu der Expansion und Kontraktion des ersten Ausdehnungsfluids erfolgt. Der zweite Wärmetauscher ist vorzugsweise konstruktiv identisch aufgebaut wie der erste Wärmetauscher.According to an exemplary embodiment of the invention, it is advantageous to connect a second heat exchanger with a separating disk likewise displaceably arranged in its interior space to the first heat exchanger in a fluid-conducting manner and to operate it anti-cyclically or in phase opposition. The second heat exchanger can then also be used to induce a second expansion fluid to undergo thermal expansion or contraction, this expansion and contraction of the second expansion fluid preferably occurring counter-cyclically to the expansion and contraction of the first expansion fluid. The second heat exchanger is preferably constructed identically to the first heat exchanger.
Das erste und das zweite Ausdehnungsfluid können bezüglich ihrer chemischen Zusammensetzung identisch sein, müssen aber nicht. In jedem Fall haben sie aber unterschiedliche Temperaturen T1, T2.The first and second expansion fluids may or may not be identical in terms of their chemical composition. In each case, however, they have different temperatures T1, T2.
Die externen Rohrleitungsabschnitte sind optional; sie sind entbehrlich, wenn die Kraftmaschine unmittelbar an die internen Rohrleitungsabschnitte angeschlossen wird.The external pipe sections are optional; they can be dispensed with if the prime mover is connected directly to the internal pipeline sections.
Die erfindungsgemäße Wärmetauschervorrichtung ermöglicht z. B. die Stromerzeugung in Verbindung mit Solarkollektoren durch Volumenarbeit. Während ORC-Anlagen und solarthermische Kraftwerke relativ groß und für private Haushalte nicht rentabel sind, ermöglicht die kompakte Bauart der erfindungsgemäßen Wärmetauscheranordnung die Stromerzeugung auch für private Haushalte. Ein weiterer Vorteil der Erfindung gegenüber herkömmlichen Photovoltaik-Anlagen ist die verbrauchsorientiere Energieerzeugung durch den Einsatz von handelsüblichen Wärmespeichern. Diese Warmwasser-Speicher sind deutlich günstiger und haltbarer als Strom-Akkus.The heat exchanger device according to the invention enables z. B. the generation of electricity in connection with solar collectors through volume work. While ORC systems and solar thermal power plants are relatively large and not profitable for private households, the compact design of the heat exchanger arrangement according to the invention enables electricity to be generated for private households as well. Another advantage of the invention compared to conventional photovoltaic systems is the consumption-oriented generation of energy through the use of commercially available heat stores. These hot water storage tanks are significantly cheaper and more durable than electricity batteries.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen, bei der Bezug genommen wird auf die beigefügte Zeichnung.
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1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmetauscheranordnung zum Gewinnen von Bewegungsenergie aus einem abwechselnd aufgeheizten und abgekühlten Ausdehnungsfluid. -
2 zeigt die Wärmetauscheranordnung nach1 mit einer Solaranlage als Wärmequelle und mit einer Kraftmaschine zur Nutzbarmachung von Energie, welche von der Wärmetauscheranordnung bereitgestellt wird. -
3 zeigt ein Ablaufdiagramm für eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Gewinnen von Bewegungsenergie aus einem abwechselnd aufgeheizten und abgekühlten Ausdehnungsfluid.
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1 shows an embodiment of the heat exchanger arrangement according to the invention for obtaining kinetic energy from an alternately heated and cooled expansion fluid. -
2 shows the heat exchanger arrangement1 with a solar system as a heat source and with an engine for harnessing the energy provided by the heat exchanger arrangement. -
3 shows a flow chart for an embodiment of the method according to the invention for obtaining kinetic energy from an alternately heated and cooled expansion fluid.
Die Zeichnung ist nicht maßstäblich. Gleiche oder gleichwirkende Elemente werden mit demselben Bezugszeichen versehen, soweit nichts anderes gesagt ist.The drawing is not to scale. Elements that are the same or have the same effect are provided with the same reference symbols, unless otherwise stated.
Der erste Wärmetauscher
Die erste Trennscheibe
Um diese Ausdehnung und Kontraktion des ersten Ausdehnungsfluids zu nutzen, ist der interne Rohrleitungsabschnitt
Die Wärmeübertragungsflüssigkeiten, welche die Primärseiten, d. h. die oberen und unteren Teilräume
Das Ausdehnungsfluid wird - insbesondere wenn das erste und das zweite Ausdehnungsfluid identisch sind - gespeichert in einem Vorratsbehälter
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nach
Die Ansteuerung der Ventile erfolgt über elektr. Anschlussleitungen
Die Wärmeenergiemenge, die durch die Wärmeübertragungsflüssigkeit mit der Temperatur T1 und die Wärmeübertragungsflüssigkeit mit der Temperatur T2 in das Ausdehnungsfluid übertragen wird, wird diesem durch eine Kraftmaschine, beispielsweise eine Zylinder-Kolben-Einrichtung
Das Grundprinzip der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Wärmetauscheranordnung zur Nutzbarmachung von in einem Ausdehnungsfluid gespeicherter Wärmeenergie ist in
Um den Kreisprozess zu vervollständigen, wird in einem Arbeitsgang
Im Folgenden wird die Funktion der erfindungsgemäßen Wärmetauscheranordnung mit dem parallel geschalteten ersten und zweiten Wärmetauscher anhand der in
Die Pumpe
Je nach Bedarf, kann die Leistung der Pumpen
Für den Takt
Die Förderpumpe 36 fördert diezweite Wärmeübertragungsflüssigkeit 7 mit der Temperatur T2 über dieRohrleitungen 31 ,28 und 27 andas Elektromagnetventile 15 .Die Steuereinrichtung 43 öffnet dieElektromagnetventile 15 und21 und schließt dieVentile 17 und19 am HDWT1 . Somit kann die zweite Wärmeübertragungsflüssigkeit7 in den unteren Teilraum1-2 des HDWT1 einströmen. Gleichzeitig wird dadurch dieTrennscheibe 5 im HDWT1 nach oben verschoben und die erste Wärmeübertragungsflüssigkeit9 wird aus dem oberen Teilraum1-1 überdas geöffnete Elektromagnetventil 21 und über dieRohrleitungen 25 und34 zum Ablauf inden Wärmespeicher 52 bzw. zur Wärmequelle für die Temperatur T1 verdrängt. Somit wird der innere Rohrabschnitt in dem unteren Teilraum1-2 des HDWT1 vollständig mit der zweiten Wärmeübertragungsflüssigkeit7 umspült. Z.B. gilt: T2 < T1. Das erste Ausdehnungsfluid11 zieht sich dort zusammen. Je nach Ausführung der Kraftmaschine erfolgt bei einem Hydraulikzylinder eine Rückströmung des Ausdehnungsfluids über Anschluss13 . Hingegen werden beimHydraulikmotor die Hydraulikpumpe 38 und das Hydraulik-Magnetventil41 von der Steuereinrichtung 43 angesteuert zum Nachfüllen des ersten Ausdehnungsfluids. Der Positionsgeber45 der Trennscheibe 5 vom HDWT1 sendet ein Signal andie Steuerung 43 , wenn die obere Endstellung der ersten Trennscheibe5 erreicht ist.
- The
feed pump 36 promotes the second heat transfer fluid7th with the temperature T2 via thepipes 31 ,28 and27 to the solenoid valve15th . Thecontrol device 43 opens the solenoid valves15th and21st and closes the valves17th and19th at the HDWT1 . Thus, the second heat transfer fluid7th in the lower subspace1-2 of the HDWT1 pour in. At the same time it becomes thecutting disc 5 in the HDWT1 shifted upwards and the first heat transfer fluid9 becomes from the upper subspace1-1 via the open solenoid valve21st and over the pipelines25th and34 to the drain into theheat storage tank 52 or displaced to the heat source for the temperature T1. Thus, the inner pipe section is in the lower compartment1-2 of the HDWT1 completely with the second heat transfer fluid7th washed around. For example: T2 <T1. The first expansion fluid11 contracts there. Depending on the design of the engine, the expansion fluid in a hydraulic cylinder flows back via a connection13 . In contrast, with the hydraulic motor, thehydraulic pump 38 and the hydraulic solenoid valve41 from thecontrol device 43 controlled to refill the first expansion fluid. The position transmitter45 thecutting disc 5 from the HDWT1 sends a signal to thecontroller 43 when the upper end position of thefirst cutting wheel 5 is reached.
Für den Takt
Die Förderpumpe 35 fördert die erste Wärmeübertragungsflüssigkeit9 mit der Temperatur T1 über dieRohrleitungen 33 und24 andas Elektromagnetventile 20 .Die Steuerung 43 öffnet dieElektromagnetventile 20 und18 am HDWT 2 . Somit kann die erste Wärmeübertragungsflüssigkeit9 in den oberen Teilraum2-1 desHDWT 2 einströmen. Dadurch wird die Trennscheibe6 im HDWT 2 nach unten verschoben und verdrängt dort die Wärmeübertragungsflüssigkeit7 überdas geöffnete Elektromagnetventil 18 und über dieRohrleitungen 30 und32 aus dem unteren Teilraum2-2 zum Ablauf indie Wärmesenke 53 bzw. zur Wärmequelle für die zweite Wärmeübertragungsflüssigkeit mit der Temperatur T2. Somit wird der interne Rohrleitungsabschnitt4-1 im HDWT 2 im Bereich des oberen Teilraumes2-1 vollständig mit der Wärmeübertragungsflüssigkeit9 umspült, T1 > T2.Das Ausdehnungsfluid 12 in dem internen Rohrleitungsabschnitt4-1 im Bereich des oberen Teilraumes desim HDWT 2 dehnt sich aus. Da die Volumenausdehnung und der Druck die innere Energie der Wärmeübertragungsflüssigkeit bestimmen, kann diese innere Energie der Wärmeübertragungsflüssigkeit als Arbeit entzogen werden. Da das vorzugsweise als Hydraulik-Magnetventil ausgebildete Ventil 40 geschlossen ist, wird das zweite Ausdehnungsfluid überden Anschluss 14 und vorzugsweise über einen externen Rohrleitungsabschnitt4-2 zur Energieumwandlung an die Kraftmaschine weitergeleitet. Der Positionsgeber46 vom HDWT 2 sendet ein Positionssignal andie Steuerung 43 , wenn die untere Endstellung der Trennscheibe6 erreicht ist.
- The
feed pump 35 promotes the first heat transfer fluid9 with the temperature T1 via thepipelines 33 and24 to the solenoid valve20th . Thecontrol 43 opens the Solenoid valves20th and18th at theHDWT 2 . Thus, the first heat transfer fluid9 in the upper subspace2-1 of theHDWT 2 pour in. This will make the cutting disc6 in theHDWT 2 shifted downwards and displaces the heat transfer fluid there7th via the open solenoid valve18th and over the pipelines30th and32 from the lower subspace2-2 to drain into theheat sink 53 or to the heat source for the second heat transfer fluid with the temperature T2. This becomes the internal pipe section4-1 in theHDWT 2 in the area of the upper subspace2-1 completely with the heat transfer fluid9 washed around, T1> T2. Theexpansion fluid 12 in the internal pipe section4-1 in the area of the upper subspace of theHDWT 2 expands. Since the volume expansion and the pressure determine the internal energy of the heat transfer fluid, this internal energy can be extracted from the heat transfer fluid as work. Since the valve, which is preferably designed as ahydraulic solenoid valve 40 is closed, the second expansion fluid is via the port14th and preferably via an external pipe section4-2 forwarded to the engine for energy conversion. The position transmitter46 from theHDWT 2 sends a position signal to thecontroller 43 when the lower end position of the cutting disc6 is reached.
Für den Takt
Die Förderpumpe 35 fördert die erste Wärmeübertragungsflüssigkeit9 über dieRohrleitungen 33 und23 andas Elektromagnetventil 19 .Die Steuerung 43 öffnet dieElektromagnetventile 19 und17 am HDWT1 . Somit kann die erste Wärmeübertragungsflüssigkeit9 in den oberen Teilraum des HDWT1 einströmen. Danach wird dieTrennscheibe 5 im HDWT1 nach unten verschoben und verdrängt dieWärmeübertragungsflüssigkeit 7 überdas geöffnete Elektromagnetventil 17 und dieRohrleitungen 29 und32 aus dem unteren Teilraum1-2 zum Ablauf indie Wärmesenke 53 . Somit wird der interne Rohrleitungsabschnitt im oberen Teilraum1-1 des HDWT1 vollständig mit der Wärmeübertragungsflüssigkeit9 umspült, T1 > T2. Das erste Ausdehnungsfluid11 im HDWT1 dehnt sich aus. Da die Volumenausdehnung multipliziert mit einem Druck einer Arbeit entspricht, kann diese Arbeit in der Kraftmaschine gewonnen bzw. abgegriffen werden. Da das Hydraulik Magnetventil41 geschlossen ist, wird das Ausdehnungsfluid über den Anschluss13 und vorzugsweise über den externen Rohrleitungsabschnitt3-2 an die Kraftmaschine weitergeleitet.Der Positionsgeber 47 der Trennscheibe 5 vom HDWT1 sendet ein Positionssignal andie Steuerung 43 , wenn die untere Endstellung der Trennscheibe5 erreicht ist. Takt1 beginnt erneut, d. h. dieTrennscheibe 5 wird wieder auf ihre obere Endposition hin verschoben.
- The
feed pump 35 promotes the first heat transfer fluid9 over thepipelines 33 and23 to the solenoid valve19th . Thecontrol 43 opens the solenoid valves19th and17th at the HDWT1 . Thus, the first heat transfer fluid9 in the upper part of the HDWT1 pour in. Then thecutting disc 5 in the HDWT1 shifted downwards and displaces the heat transfer fluid7th via the open solenoid valve17th and thepipelines 29 and32 from the lower subspace1-2 to drain into theheat sink 53 . Thus, the internal pipe section is in the upper subspace1-1 of the HDWT1 completely with the heat transfer fluid9 washed around, T1> T2. The first expansion fluid11 in the HDWT1 expands. Since the volume expansion multiplied by a pressure corresponds to work, this work can be obtained or tapped in the prime mover. As the hydraulic solenoid valve41 is closed, the expansion fluid is via the port13 and preferably via the external pipeline section3-2 forwarded to the prime mover. Theposition transmitter 47 thecutting disc 5 from the HDWT1 sends a position signal to thecontroller 43 when the lower end position of thecutting disc 5 is reached. Tact1 starts again, i.e. thecutting disc 5 is moved back to its upper end position.
Für den Takt
Die Förderpumpe 36 fördert die zweite Wärmeübertragungsflüssigkeit7 über dieRohrleitungen 31 und28 andas Elektromagnetventil 16 .Die Steuerung 43 öffnet dieElektromagnetventile 16 und22 am HDWT 2 . Somit kann dieWärmeübertragungsflüssigkeit 7 in den unteren Teilraum2-2 desHDWT 2 einströmen. Dadurch wird die Trennscheibe6 im HDWT 2 nach oben verschoben und verdrängt die Wärmeübertragungsflüssigkeit9 aus dem oberen Teilraum2-1 überdas geöffnete Elektromagnetventil 22 und über die Rohrleitungen26 und34 zum Ablauf inden Wärmespeicher 52 bzw. zur Quelle der Temperatur T1. Somit wird der interne Rohrleitungsabschnitt4-1 im unteren Teilraum desHDWT 2 vollständigmit der Wärmeübertragungsflüssigkeit 7 umspült, T2 < T1.Das Ausdehnungsfluid 12 zieht sich zusammen. Auch diese Arbeit wird von der Kraftmaschine abgegriffen. Je nach Ausführung der Kraftmaschine wird bei einem Hydraulikzylinder eine Rückströmung des Fluids überAnschluss 14 bewirkt. Bei einem Hydraulikmotor erfolgt eine Nachfüllung über Hydraulikpumpe38 und das Hydraulik-Magnetventil 40 ,das vom Steuergerät 43 angesteuert und geöffnet wird. Der Positionsgeber44 vom HDWT 2 sendet ein Positionssignal andie Steuerung 43 , wenn die obere Endstellung der Trennscheibe6 erreicht ist. Takt1 beginnt erneut; d. h. die Trennscheibe6 wird dann wieder nach unten in Richtung ihrer unteren Endposition bewegt.
- The
feed pump 36 promotes the second heat transfer fluid7th over thepipelines 31 and28 to thesolenoid valve 16 . Thecontrol 43 opens thesolenoid valves 16 and22nd at theHDWT 2 . Thus, the heat transfer fluid7th in the lower subspace2-2 of theHDWT 2 pour in. This will make the cutting disc6 in theHDWT 2 shifted upwards and displaces the heat transfer fluid9 from the upper subspace2-1 via the open solenoid valve22nd and over the pipelines26th and34 to the drain into theheat storage tank 52 or to the source of the temperature T1. This becomes the internal pipe section4-1 in the lower part of theHDWT 2 completely with the heat transfer fluid7th washed around, T2 <T1. Theexpansion fluid 12 contracts. This work is also picked up by the prime mover. Depending on the design of the engine, the fluid in a hydraulic cylinder flows back via a connection14th causes. In the case of a hydraulic motor, refilling takes place via ahydraulic pump 38 and thehydraulic solenoid valve 40 from thecontrol unit 43 is controlled and opened. The position transmitter44 from theHDWT 2 sends a position signal to thecontroller 43 when the upper end position of the cutting disc6 is reached. Tact1 starts again; ie the cutting disc6 is then moved back down towards its lower end position.
Jeder der Wärmetauscher kann einzeln für sich und unabhängig von dem jeweils anderen Wärmetauscher betrieben werden zum Betreiben der Kraftmaschine. Die Pumpen
Vorzugsweise werden die beiden Wärmetauscher jedoch gleichzeitig parallel und antizyklisch betrieben zum Betreiben derselben Kraftmaschine. Wie bereits erwähnt laufen die beiden Pumpen
Sobald von dem Positionsgeber
Der zweite Wärmetauscher
Die beschriebene Auf- und Abwärtsbewegung der Trennscheiben
Nach Abzug von Wärmeverlusten und Übertragungsverlusten führt diese Temperaturänderung an der Außenseite der internen Rohrleitungsabschnitte zu einer Temperaturänderung des Ausdehnungsfluids von ΔTAusdehnungsfluid von ca. 30 °C. Die Temperatur des Ausdehnungsfluids im Inneren der Rohrleitungen ändert sich mit einer Frequenz von beispielsweise 3 bis 5 mal pro Minute um ΔTAusdehnungsfluid von ungefähr 30 °C.After deducting heat losses and transmission losses, this temperature change on the outside of the internal pipe sections leads to a temperature change in the expansion fluid of ΔT expansion fluid of approx. 30 ° C. The temperature of the expansion fluid inside the pipelines changes at a frequency of, for example, 3 to 5 times per minute by ΔT expansion fluid of approximately 30 ° C.
Gleichzeitig beträgt der Druck des Ausdehnungsfluids im Inneren der Rohrleitungsabschnitte
Für das Funktionieren der vorliegenden Erfindung ist es wichtig, dass die Rohrleitungen
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
-
erster Wärmetauscher HDWT
1 first heat exchanger HDWT1 - 22
-
zweiter Wärmetauscher HDWT
2 secondheat exchanger HDWT 2 - 3-13-1
-
erster interner Rohrleitungsabschnitt in HDWT
1 first internal pipeline section in HDWT1 - 3-23-2
- erster externer Rohrleitungsabschnittfirst external pipe section
- 4-14-1
-
zweiter interner Rohrleitungsabschnitt in HDWT
2 second internal pipe section inHDWT 2 - 4-24-2
- zweiter externer Rohrleitungsabschnittsecond external pipe section
- 55
- erste Trennscheibefirst cutting disc
- 66th
- zweite Trennscheibesecond cutting disc
- 77th
- zweite Wärmeübertragungsflüssigkeitsecond heat transfer fluid
- 99
- erste Wärmeübertragungsflüssigkeitfirst heat transfer fluid
- 1111
-
Ausdehnungsfluid in HDWT
1 mit einem hohen Wärmeausdehnungskoeffizient,Expansion fluid in HDWT1 with a high coefficient of thermal expansion, - 1212
-
Ausdehnungsfluid in HDWT
2 mit einem hohen Wärmeausdehnungskoeffizient,Expansion fluid inHDWT 2 with a high coefficient of thermal expansion, - 1313
-
Anschluss an HDWT
1 Connection to HDWT1 - 1414th
-
Anschluss an HDWT
2 Connection toHDWT 2 - 1515th
-
Ventil zur Steuerung der zweiten Wärmeübertragungsflüssigkeit
7 ZulaufValve for controlling the second heat transfer fluid7th Intake - 1616
-
Ventil zur Steuerung der zweiten Wärmeübertragungsflüssigkeit
7 ZulaufValve for controlling the second heat transfer fluid7th Intake - 1717th
-
Ventil zur Steuerung der zweiten Wärmeübertragungsflüssigkeit
7 AblaufValve for controlling the second heat transfer fluid7th procedure - 1818th
-
Ventil zur Steuerung der zweiten Wärmeübertragungsflüssigkeit
7 AblaufValve for controlling the second heat transfer fluid7th procedure - 1919th
-
Ventil zur Steuerung der ersten Wärmeübertragungsflüssigkeit
9 ZulaufValve for controlling the first heat transfer fluid9 Intake - 2020th
-
Ventil zur Steuerung der ersten Wärmeübertragungsflüssigkeit
9 ZulaufValve for controlling the first heat transfer fluid9 Intake - 2121st
-
Ventil zur Steuerung der ersten Wärmeübertragungsflüssigkeit
9 AblaufValve for controlling the first heat transfer fluid9 procedure - 2222nd
-
Ventil zur Steuerung der ersten Wärmeübertragungsflüssigkeit
9 AblaufValve for controlling the first heat transfer fluid9 procedure - 2323
- Fluidleitungen für erste Wärmeübertragungsflüssigkeit ZulaufFluid lines for first heat transfer fluid inlet
- 2424
- Fluidleitungen für erste Wärmeübertragungsflüssigkeit ZulaufFluid lines for first heat transfer fluid inlet
- 2525th
- Fluidleitungen für erste Wärmeübertragungsflüssigkeit AblaufFluid lines for first heat transfer fluid drain
- 2626th
- Fluidleitungen für erste Wärmeübertragungsflüssigkeit AblaufFluid lines for first heat transfer fluid drain
- 2727
- Fluidleitung für zweite Wärmeübertragungsflüssigkeit ZulaufFluid line for second heat transfer fluid inlet
- 2828
- Fluidleitung für zweite Wärmeübertragungsflüssigkeit ZulaufFluid line for second heat transfer fluid inlet
- 2929
- Fluidleitungen für zweite Wärmeübertragungsflüssigkeit AblaufFluid lines for second heat transfer fluid drain
- 3030th
- Fluidleitungen für zweite Wärmeübertragungsflüssigkeit AblaufFluid lines for second heat transfer fluid drain
- 3131
-
Fluidleitung Zulauf für
7 Fluid line inlet for7th - 3232
-
Fluidleitung Ablauf für
7 Fluid line drain for7th - 3333
-
Fluidleitung Zulauf für
9 Fluid line inlet for9 - 3434
-
Fluidleitung Ablauf für
9 Fluid line drain for9 - 3535
-
Förderpumpe für Wärmeübertragungsflüssigkeit
9 Transfer pump for heat transfer fluid9 - 3636
-
Förderpumpe für Wärmeübertragungsflüssigkeit
7 Transfer pump for heat transfer fluid7th - 3737
- Vorratsbehälter AusdehnungsfluidReservoir expansion fluid
- 3838
-
Hydraulikpumpe zur Entlüftung von der Rohrleitungen
3-1 und4-1 Hydraulic pump for venting the pipes3-1 and4-1 - 3939
- HydraulikleitungHydraulic line
- 4040
-
Hydraulik-Magnetventil zum Entlüften und verschließen der Rohrleitungen
4-1 Hydraulic solenoid valve for venting and closing the pipes4-1 - 4141
-
Hydraulik-Magnetventil zum Entlüften und verschließen der Rohrleitungen
3-1 Hydraulic solenoid valve for venting and closing the pipes3-1 - 4242
- elektr. Anschlussleitungen zur Steuerungelectr. Connection cables to the control
- 4343
- SteuereinrichtungControl device
- 4444
- Positionsgeber für zweite Trennscheibe obenPosition indicator for second cutting disc on top
- 4545
- Positionsgeber für erste Trennscheibe obenPosition indicator for the first cutting disc on top
- 4646
- Positionsgeber für zweite Trennscheibe untenPosition indicator for second cutting disc below
- 4747
- Positionsgeber für erste Trennscheibe untenPosition indicator for first cutting disc below
- 4848
- SolarkollektorenSolar collectors
- 5050
- Zylinder-Kolben-EinrichtungCylinder-piston device
- 50-150-1
- Kolben-ZylindereinheitPiston-cylinder unit
- 50-250-2
- Kolben-ZylindereinheitPiston-cylinder unit
- 5151
- Kurbelwelle, SchwungradCrankshaft, flywheel
- 5252
- WärmespeicherHeat storage
- 5353
- WärmesenkeHeat sink
- 5555
- Verfahrensschritt: Übertragen von erster Wärmeenergiemenge auf AusdehnungsfluidProcess step: transferring the first amount of thermal energy to expansion fluid
- 5656
- Verfahrensschritt: Übertragen von zweiter Wärmeenergiemenge auf AusdehnungsfluidProcess step: transferring a second amount of thermal energy to the expansion fluid
- 5757
- Verfahrensschritt: Entspannen von Ausdehnungsfluid in externe RohrleitungsabschnitteProcess step: Relaxation of expansion fluid in external pipe sections
- 5858
-
Verfahrensschritt: Verschieben von Trennscheiben
5 ,6 in HDWTProcess step: moving cuttingdiscs 5 ,6 in HDWT - 5959
- Generatorgenerator
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 2919263 A1 [0004]DE 2919263 A1 [0004]
Claims (27)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102019211338.9A DE102019211338A1 (en) | 2019-07-30 | 2019-07-30 | Heat exchanger arrangement and method for its operation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102019211338.9A DE102019211338A1 (en) | 2019-07-30 | 2019-07-30 | Heat exchanger arrangement and method for its operation |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102019211338A1 true DE102019211338A1 (en) | 2021-02-04 |
Family
ID=74165548
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102019211338.9A Withdrawn DE102019211338A1 (en) | 2019-07-30 | 2019-07-30 | Heat exchanger arrangement and method for its operation |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102019211338A1 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4222239A (en) * | 1976-09-30 | 1980-09-16 | Masataka Negishi | Heat engine |
DE2919263A1 (en) * | 1979-05-12 | 1980-11-13 | Dieter Knauer | Heat engine working over small temp. range - has thermal medium coupled to working cylinders by double acting hydraulic cylinder |
WO2016134440A1 (en) * | 2014-03-31 | 2016-09-01 | Marnoch Thermal Power Inc. | Thermal εngiνε |
-
2019
- 2019-07-30 DE DE102019211338.9A patent/DE102019211338A1/en not_active Withdrawn
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