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Die Hauptaufgabe der Energietechnik besteht darauf verschiedenen Arten von Primärenergien in Nutzenergie (mechanische Arbeit oder elektrische Energie) rationell umzuwandeln. Möglichkeiten zur Umwandlung von potentieller Lageenergie, chemischer Brennstoffenergie oder Kernenergie in diesen beiden mechanischen oder elektrischen Energieformen sind sehr gut bekannt. Großtechnisch erfolgt die Umwandlung chemischer und nuklearer Energie in mechanische Energie und Elektrizität durch Wärmekraftwerke. Kühlsysteme werden dabei benötigt und beeinflussen den Wirkungsgrad eines Kraftwerkes. Für die Erfüllung Ihrer Aufgabe werden unterschiedliche Kühlverfahren ausgenutzt. Sie bestehen aus: (a) der direkten Kühlung in der unmittelbaren Nähe einer Wasserquelle bzw. Fließgewässer, wie ein Fluss oder Meer; (b) der Kühlung in Nasskühltürmen, falls keine Frischwasserkühlung möglich ist und (c) der Kühlung in Trockenkühltürmen, wo auch kein Frischwasser benötigt wird oder gar vorhanden ist. Der Kühlturm hat für Aufgabe, die aus dem Kondensator nicht vollständig abgebaute Wärme abzuführen.
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Die hier vorgestellte Erfindung ermöglicht eine kostengünstige, ressourceneffiziente und umweltschönende Durchzuführung von Kühlprozessen in Kraftwerken sowie bei entsprechend gleichwertigen Dampferzeugungsprozessen und industriellen wärmeerzeugenden Prozessen.
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Stand der Technik
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Etliche Patente über Kühlturme stellen den Erfindungsgeist in vieler Hinsicht auf dem Gebiet der Kühlsysteme dar. Im Patent
DE102010035332 wird ein Nasskühlturm bzw. ein Tropfenabscheider für Nasskühltürme laut der Erfindung
DE3901656C2 beschrieben. Erwärmtes und aus Kondensatoren von Kraftwerken abströmendes Kühlwasser wird hierbei durch Konvektion und Verdunstung mittels eines Kühlsystems rückgekühlt. Das zu kühlende Wasser wird in die Luft versprüht und über Füllkörper verrieselt.
WO2006099970 ,
DE102007036343 und zahlreich weitere ähnliche Patente beschreiben Nasskühlturme mit deren Vorrichtungen, Konstruktionen und hervorgehobenen Besonderheiten. Das Kühlprinzip bleibt jedoch immer dasselbe.
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Um warmes Wasser aus Kraftwerken, Blockheizkraftwerken, kleineren Dampfmaschinen und aus industriellen Prozessen wie Hochöfen und Ähnliches im Gebieten der Energieerzeugung, die erheblich größere Menge an warmen Wasser produziert, abzukühlen, werden Wärmetauscher im Allgemeinen im großem Umfang verwendet. Wärmetauscher sind in etlicher unterschiedlichen Konstruktionen patentiert worden. Kondensatoren sind eine besondere Ausführung von Wärmetauschern und dienen als Vorstufe beim kühlen eines warmen Mediums. Das Patent
DE102011116078 stellt ein Verfahren zur Kühlung vom Kondensat oder Kühlwasser eines Dampfturbinenprozesses dar. Trotz spezieller Konstruktionsdarstellungen unterscheidet sich das Prinzip nicht großartig von der Arbeitsweise eines Kondensators wie es in mehreren Patenten u.a. in
WO2007110034 beschrieben wird.
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Kältemaschinen verwenden niedrig siedende Kohlenwasserstoffe, um latente Energie von erwärmten Medien entziehen zu können und daraus resultierend, die Temperatur dieser Systeme zu erniedrigen. Diese Kohlenwasserstoffverbindungen enthalten meistens umweltunfreundlichen Halogenverbindungen aus Fluor und Chlor. Die im Patenten
WO2012168078 dargestellte Lösung beschreibt ein solches Kühlsystem. Ähnlichen ionischen Flüssigkeit kommen dabei zur Verwendung. Kompressionsstufen werden im Kreisprozess benötigt, um das Siedekühlungseffekt hervorzurufen. Häufiger wird der Kreisprozess geschlossene aufgebaut und ermöglicht somit ein Durchlaufen von Phasenübergängen des einzigen vorhandenen Mediums. Im Jahre 1884 erfolgt die erste Patentenanmeldung einer Dampfstrahlkälteanlage. 26 Jahre später konstruierte Leblanc die erste Kältemaschine.
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Bei Strahlpumpen kommen Zwischenspeicher oder Hochdruckpumpe zunutze, um anhand einer Düse die Energieübertragung des Wassers durch Impulswirkung zu erhöhen. Die Aggregatzustände der beschleunigten Medien können hierbei dieselben bleiben und sind öfter flüssig, gasförmig oder beide gleichzeitig. In den Patenten
DE000010016924 ,
WO2020/207847 werden konvergent und divergente Einheiten solcher Systeme unterschiedlich angeordnet. Das primäres Ziel einer Strahlpumpe besteht jedoch häufiger darauf dem zweiten Medium einen Impuls zu übertragen. Der Fokus bleibt somit nicht auf einer primären reinen Kühlung des gegebenen Systems, sondern um das Beschleunigen eines ausströmenden Fluides zu unterschiedlichen Zwecken.
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Für die Zerstäubung metallischer Schmelze sind etliche konvergente und divergente Strömungsmaschine konstruiert worden. Das Patent
WO2016184455 stellt ähnliche Einrichtung vor, die aus zusammengesetzten Teilen besteht und in der Lage ist, ein Medium zu beschleunigen. Die Zielstellung besteht hierbei darin eine Schmelze an der engsten Stelle der Einrichtung mitzureißen damit sie am Ende der Düse in feinkörnigen Pulver zerstäubt wird. Die merklichen Komponenten dieser Einrichtung sind eine Düse, bestehende Behälter und das Heizsystem, die zusammen zur Bewirkung dieses Effektes beitragen. Überschallgeschwindigkeiten werden dabei erreicht. Der Zerfall der Schmelze in feinkörnigen Partikeln am Ausgang der Düse wird dadurch ermöglicht. Das zentrale Komponenten bleibt die Lavaldüse, die ein breite Anwendung wie z. B. in Turbinen, Strahlpumpen, Raketentriebwerken, Überschallwindkanälen findet. Die Besonderheit in vielen Patenten, wo Düsen vorkommen, besteht in der besonderen Ausführung einzelner Komponenten wie auch im Patent
WO2016184455 hervorgebracht wird.
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Mängel bisheriger Lösungen
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Kühlturme sind teure und aufwendige Konstruktionen. Ein besonderes Merkmal bzw. die größte Schwäche eines Kühlturms im Gegensatz zu der vorliegenden Erfindung beruht auf seinen erheblich größeren Platzbedarf, da Kühlturmhöhe heutzutage bis zu 200 m erreichen können. In der Basis eines Kühlturmes wird sogar Durchmessern von 120 m überschritten. Sein Aufbau an einem Ort setzt häufiger voraus, dass sehr viel Wasser vorhanden ist. Der Betrieb von Kühltürmern stellt somit eine unvergleichliche Verschwendung eines für alle Lebewesen unentbehrliche und am meistens benötigten Ressource dar, das Wasser.
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Durch Grundgesetze der Strömungsmechanik (Massenerhaltungs-, Impulserhaltungs- und Energieerhaltungsgesetz) und der Thermodynamik (Erhaltungsgesetze für chemische Spezies und die Zustandsgleichungen) kann dieselbe Wirkung der Kühlung physikalisch anhand sehr einfache mechanische Konstruktionen, wie aus der jetzigen Patent beschrieben wird, erreicht werden. Ohne Anwendung umweltunfreundlichen Kältemitteln wird im Gegensatz zu Dampfstrahlkältemaschinen, die nicht mit Wasser betrieben werden, dieselbe Zielstellung der Wärmeabfuhr aus einem System durch einfacher mechanischen Systeme vollzogen. Da häufiger nur ein einziges Medium als Treibmittel bei vielen Dampfstrahlkältemaschinen verwendet wird, müssen sich die Aggregatzustände dieses Mediums leicht ändern können.
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Das primäres Ziel des Patents
WO2016184455 fokussiert in der Zerstäubung einer Schmelze damit Pulver hergestellt werden, wobei die voreingestellte Temperatur mindestens 70 % des zu schmelzenden Metalls betragen sollte. Höhere Temperatur sind daher notwendig und rechtfertigt die Benutzung eines Schmelztiegels. Die leicht niedrig schmelzenden und häufig zerstäubbaren Metalle besitzen niedrigste Temperaturen um ca. 350 °C. Der Einsatz einfacher Stähle an dieser Stelle führen zur schnelleren Materialermüdung. Die Erwärmung des Fluidmediums muss folglich so eingestellt werden, so dass eine Erstarrung des zerstäubbaren Gutes am Düsenausgang vermieden werden kann. Die Erwärmung des Treibmittels der hier erwähnten Patent erfolgt konzentrisch in der Mitte aller Behälter des Systems.
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Die Aufgabe der Erfinder besteht darin, die vorstehend aufgezeigten Mängel gezielt und effizient zu beseitigen. Darüber hinaus und dadurch kann eine Lösung mit breiten Anwendungsfeldern erfolgen.
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Gelöste Problemstellung
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Die in diesem Patent dargestellte konstruktive Lösung besteht aus einfacher ausgeklügelten Anordnung von divergenten und konvergenten Teilen des gegebenen Systems sowie die dazu für die Einstellung von Betriebsparamatern des gesamten Kühlkreislaufes dieser Erfindung benötigte Hilfsaggregate. Es besteht weiterhin die Notwendigkeit der Erwärmung des Hilfsmediums (Luft) bis zu einer Temperatur von 250 °C sowie ihrer Kompression bis über 50 bar. Dadurch können die erwünschten thermodynamischen Parameter des Kühlsystems genau eingestellt werden. Ihre genaue Einstellung erlaubt es die zu erwartenden und gewünschten Ergebnisse zu erhalten. Die einzustellende Temperatur des Wassers am Ausgang der Düse ist ein dieser wichtigsten Parameter. Da Wasser bereits bei Raumtemperatur in der flüssigen Form vorliegt, bzw. Ihren Schmelzpunkt bereits überschritten hat, darf eine Erwärmung des Kühlmediums hier maximal 200 °C betragen, bevorzugt 100 bis 250 °C. Die Temperatur des Treibmittels darf insofern maximal das 10-fache der Zimmertemperatur des Wassers betragen. Im Gegensatz zu dem im
WO2016184455 erforderlichen Einsatz keramischer Werkstoffe kommen hierbei bereits problemlos und ohne Ermüdungsbedenken einige Edelstähle nach
DIN 10027-2, warmfeste Stähle nach
DIN EN 10028-2 sowie legierte Stähle nach
DIN 17175 (
DIN EN 10216-2) oder Korrosionsbeständige Stähle nach
DIN EN 10 088 zum Einsatz.
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Unendliche vorhandene Luft wird als Treibmittel allein bevorzugt. Zusammen mit Wasser und dank der vorliegenden Erfindung wird eine Abkühlung des warmen Wassers aufgrund resultierenden strömungsmechanische und thermodynamischen Gesetze ermöglicht. Die hier dargestellte Erfindung benötigt also genau zwei Fluide, die sich in zwei unterschiedlichen Aggregatzuständen oder Phasen befinden.
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Erläuterung der Erfindung und ein Ausführungsbeispiel
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Es zeigen:
- 1: Das neuartige und regenerative Energieerzeugungskühlsystem (Schnittdarstellung)
- 2: Die mögliche räumlich ausgeführte Darstellung des neuartigen und regenerativen Energieerzeugungskühlsystems als Konstruktionsvariante
- 3: Das ganzheitliche System eines bevorzugten Kühlprozesses
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Das vorliegende neuartige und regenerative Energieerzeugungskühlsystem ermöglicht die Leitung des strömenden warmen Wassers in eine Lavaldüse (2). Dieses Wasser kommt bevorzugt aus einer abzukühlenden Quelle, fließt durch den dafür vorgesehenen Anschluss (7) und den Diffusor (3). Mit Hilfe eines aus der Leitung (4) strömenden wärmeren Medium kann das Wasser beschleunigt und es erreicht die Überschallgeschwindigkeit im engsten Querschnitt. Die entstandene Druckenergie wird in kinetische Strömungsenergie umgewandelt. Aus der Energieerhaltung verringern sich Druck und Geschwindigkeit in dem Sammelbehälter (1). Die hervorgerufene isentropische Entspannung bewirkt eine Wärmeabgabe, wobei das Wasser sich abkühlt.
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Für die Reibungsreduzierung beim Lufteintritt in (6) kann die Luftleitung (4) zwischen 0 bis 60°, von der Vertikale aus gesehen, gebaut werden. Sowohl Flansch- als auch Schweißverbindungen zum Anschließen aller Einzelteile werden gleichgesetzt. Jedoch sollen alle Konstruktionen für eventuelle Reparatur flexibel gestaltet werden. Die konstruktive Gestaltung des Systems mit einem Diffusor (3) müsste es darüber hinaus erlauben, einen Überdruck in der Leitung vor der Düse (2) zu halten. Praktisch kann auch dieser leichten Überdruck in dieser Zwischenstelle benötigt und konstruktiv entsprechend angepasst werden. Die Vorzuschaltung einer Pumpe an der Stelle müsste dabei u.a. vorgesehen werden. Die Ausführung der Lagersitze (5) der Luftzufuhr (4) bleibt optional und hängt von der Baugröße des Systems ab.
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Eine Einteilung des Diffusors (3) und der Düse (2) in zwei verschiedenen Einheiten setzt die Baugröße des Systems voraus.
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Alle Anschlussteile werden bevorzugt unverstellbar voreingestellt und sollten eine konstante Strömung aus dem vorinstallierten Kondensator, Turbine bzw. der Wasserwärmequelle erlauben. Die Temperatur des zuströmenden Treibmediums wird auch genau ausgewählt und somit eingestellt, um die gewünschten Temperatur am Auslass (1) zu erhalten. Über der konvektiven Heizung des Treibmediums hinaus kann die vorhandene Wärme aus der Turbine und aller bereits zugeschalten Heizanlage eines Kraftwerkes zunutze gemacht werden, um die notwendigen Temperatur des Mediums einzustellen. Andere industrielle Heizanlage zur Bereitstellung eines heizen Treibmediums sind auch hier zulässig.
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Die seitliche und separate Konstruktion zur Erwärmung und anschließende Kompression der Luft sowie ihrer Einführung durch die Leitung (6) stellt eine weitere Besonderheit dieser Erfindung dar. In dem Patent
WO2016184455 mündet die Strahlführung des Zerstäubungsmediums in die Mitte des Schmelztiegels ein. Bei der jetzigen Erfindung, kann die Strahlzufuhr somit nicht ganzheitlich konzentrisch angeordnet werden und wird bevorzugt mit einem Winkel in der Strömungsrichtung zwischen 30 bis 90° ausgeführt.
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Die Größe einzelner zugehörigen Maschinenelemente des Kühlsystems resultieren unmittelbar aus der Größe der abzukühlenden Anlage und kann durch die bereits erwähnten gesetzlichen Gleichungen der Thermodynamik und Strömungsmechanik genau berechnet und dimensioniert. Der Durchmesser der Düse und weiteren angeschlossenen konvergenten und divergenten Teile können somit bis zu einigen Metern groß gestaltet werden.
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Druckbereiche zwischen 1 bis über 50 bar werden für das Verdichten des Treibmittels bevorzugt. Aggregatszustände des Wassers werden durch ihre thermodynamische Abhängigkeit besonderes gekennzeichnet. Die flüssige Form des Wassers ist daher Funktion der vorliegenden Temperatur und des Druckes.
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Die horizontale Anordnung bzw. Ausrichtung des Kühlsystems im Raum ist zu bevorzugen und kann durchaus auch vertikal erfolgen.
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Vorteile und Anwendernutzen
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Mit diesem vorgestellten neuartigen und regenerativen Energieerzeugungskühlsystem kann ein umweltfreundlicher und ressourceneffizienter Prozess durchgeführt werden, der zur Vermeidung der Erwärmung der Flüsse beiträgt. Weiterhin ist der Prozess wassersparend, da der Wasserverbrauch drastisch reduziert wird und/oder keine oder nur sehr geringen Wasserverluste entstehen werden. Beispielweise können Kraftwerken dank diesem Kühlsystem ortsunabhängig gebaut werden, da die Nähe zu einem Fluss oder Meer sich erübrigt. Kraftwerke werden daher preisgünstig, weil der Bau eines Kühlturmes und die darin befindlichen Kühleinbauten komplett ausfallen würden. Durch eine Anlage zur gekoppelten Energieerzeugung besteht weiterhin die Möglichkeit der Erweiterung der Leistungskapazität des gesamten Systems. Zuletzt wird dabei eine deutliche Prozessverbesserung erreicht, da der gesamte Wirkungsgrad eines Kraftwerkes durch eine erhebliche Kosteneinsparung erhöht wird.
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Alle prozesstechnischen Kühlsysteme, die eine externe Wasserquelle oder Wasserzufuhrsysteme verwendet, können als geschlossene Systeme gestaltet werden und zu einer erheblichen Wassereinsparung beitragen. Es benötigt hierbei einen Sammelbehälter (1), wo das gekühlte Wasser gesammelt werden kann und durch eine Pumpe wieder in den Kreislauf gebracht wird. Die Prozessparameter können anschließend genau eingestellt, so dass sich die benötigte Temperatur und Druck an den jeweiligen Stellen und Positionen im gesamten Prozess ergeben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010035332 [0003]
- DE 3901656 C2 [0003]
- WO 2006099970 [0003]
- DE 102007036343 [0003]
- DE 102011116078 [0004]
- WO 2007110034 [0004]
- WO 2012168078 [0005]
- DE 000010016924 [0006]
- WO 2020/207847 [0006]
- WO 2016184455 [0007, 0010, 0012, 0019]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN 10027-2 [0012]
- DIN EN 10028-2 [0012]
- DIN 17175 [0012]
- DIN EN 10216-2 [0012]
- DIN EN 10 088 [0012]
