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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft im Allgemeinen Energiewandler zum Umwandeln thermischer Energie in Elektrizität. Insbesondere betrifft die Erfindung auf einen mechanischen Aufbau eines Energiewandlers, welcher beispielsweise aber nicht notwendigerweise auf dem Organic Rankine Cycle ”ORC” basieren kann.
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Hintergrund
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Kleine Energiewandler, welche zum Beispiel auf dem Organic-Rankine-Cycle-Prozess ”ORC” basieren können, können zum Umwandeln der thermischen Energie der Abwärme in Elektrizität verwendet werden, welche ohne Weiteres für verschiedene Zwecke verwendet wird. Die Abwärme kann aus verschiedenen wärmeerzeugenden Prozessen oder wärmeerzeugenden Maschinen erhalten werden, z. B. einem Verbrennungsmotor oder einer Gasturbine, wo die Abwärme durch die Temperatur der Abwärme und/oder durch die Umgebungsumstände nicht als solche oder mittels herkömmlicher Wärmetauscher oder entsprechenden Mitteln verwendet werden kann.
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Es kann thermodynamisch gezeigt werden, dass der ORC-Prozess eine anwendbare Technik für diese Art von Energieumwandlung ist. Die Verdampfungswärme von organischem Arbeitsfluid ist in Bezug auf z. B. die Verdampfungswärme von Wasser gering und dessen Abnahme spezifischer Enthalpie in der Turbine ist gering und die Massenströmungsrate in Bezug auf die Leistung ist hoch, wobei es selbst in einem Bereich kleiner Kapazität möglich ist, hohen Turbinenwirkungsgrad zu erreichen. Die Verwendung von Hochgeschwindigkeitstechnologie, wobei die Turbine direkt mit einem Generator gekoppelt ist, welcher mit gleicher Geschwindigkeit rotiert und somit Hochfrequenzstrom erzeugt, hat es möglich gemacht, den Prozess weiter in einer Weise zu vereinfachen, dass z. B. ein separates Untersetzungsgetriebe, welches bei den üblichen Verfahren erforderlich ist, nicht benötigt wird. Auch die Hochgeschwindigkeitstechnologie ermöglicht es, ein hermetisches Verfahren bereitzustellen, was erhebliche Einsparungen der Betriebskosten bedeutet.
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Die Veröffentlichung
EP 0090022 beschreibt einen Energiewandler, der einen Verdampfer umfasst, z. B. einen Boiler, eine Radialturbine, einen Kondensator, eine Förderpumpe und einen Hochgeschwindigkeitsgenerator. Der Energiewandler kann ferner einen Rekuperator und eine Vorförderpumpe umfassen. Die dem Verdampfer zugeführte thermische Energie ist angeordnet, um beizubehalten, dass der Organic-Rankine-Cycle-Prozess den Generator antreibt und somit Elektrizität erzeugt. Die Radialturbine und die Förderpumpe sind direkt mit dem Rotor des Generators gekoppelt. Der Rotor ist mit gasdynamischen Lagern unter Verwendung des organischen Arbeitsfluids in gasförmiger Form drehbar getragen. Die Rückfläche der Radialturbine ist angeordnet, um als eine Anschlagfläche eines gasstatischen Axiallagers zu dienen.
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Energiewandler der oben beschriebenen Art sind jedoch nicht frei von Herausforderungen. Eine der Herausforderungen betrifft die Tatsache, dass ein Energiewandler der oben beschriebenen Art zum Übertragen gasförmiger und flüssiger Substanzen und vieler Wärmeaustauschelemente ein komplexes Rohrleitungssystem umfasst. Die Herstellung insbesondere des komplexen Rohrleitungssystems kann auch in Serienfertigung teuer sein.
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Zusammenfassung
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Im Folgenden wird eine vereinfachte Zusammenfassung dargelegt, um ein grundlegendes Verständnis einiger Ausführungsformen der Erfindung bereitzustellen. Die Zusammenfassung ist kein umfassender Überblick der Erfindung. Es ist weder beabsichtigt Schlüssel- oder kritische Elemente der Erfindung zu ermitteln, noch den Umfang der Erfindung darzustellen. Die folgende Zusammenfassung legt lediglich einige Konzepte der Erfindung in vereinfachter Form als Einleitung zu einer detaillierteren Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung dar.
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Gemäß der Erfindung wird ein neuartiger Energiewandler bereitgestellt, welcher beispielsweise aber nicht notwendigerweise auf dem Organic-Rankine-Cycle-Prozess ”ORC” basieren kann. Ein Energiewandler gemäß der Erfindung umfasst Funktionselemente, welche wenigstens das Folgende umfassen:
- – eine elektrische Turbomaschine zum Umwandeln von von verdampftem Arbeitsfluid beinhalteter Energie in elektrische Energie,
- – einen Kondensator zum Kondensieren des verdampften von der elektrischen Turbomaschine ausgegebenen Arbeitsfluids, und
- – eine Förderpumpe zum Pumpen des kondensierten Arbeitsfluids zu einem Verdampfer.
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Der Energiewandler umfasst ferner ein Rahmenelement, welches angeordnet ist, um als ein mechanischer Halterungsrahmen für die Funktionselemente zu fungieren. Außerdem ist ein Rohrleitungssystem zwischen den Funktionselementen wenigstens teilweise als Kanäle des Rahmenelements umgesetzt. Das Rahmenelement umfasst ferner eine Rohrleitungssystemschnittstelle zum Leiten von Kühlmittel zu und von dem Kondensator. Das Rahmenelement ist vorteilhaft ein einzelnes Materialstück, das zum Beispiel durch Gießen, Extrudieren oder Laser-Sintern hergestellt sein kann. Jeder Kanal des Rahmenelements kann z. B. eine an dem Rahmenelement gemachte Bohrung oder ein während z. B. einem Gieß-, Extrudier- oder Laser-Sinter-Prozess zum Herstellen des Rahmenelements gemachter Kanal sein. Daher kann die mechanische Struktur des Energiewandlers kompakt, robust und kosteneffektiv herzustellen sein.
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Zusätzlich zu den oben genannten Turbomaschine, Kondensator und Förderpumpe können die an dem Rahmenelement angebrachten Funktionselemente einen Verdampfer, einen Rekuperator, einen Kondensatorbehälter, einen Frequenzwandler, eine Vorförderpumpe, ein Ventilsystem und/oder Geräteausstattung in Bezug auf Steuerung/Regelung und/oder Sicherheit umfassen.
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Eine Anzahl an nicht-beschränkenden und beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung ist in den beigefügten abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung sowohl hinsichtlich Aufbau als auch Betriebsweise, zusammen mit weiteren Aufgaben und Vorteilen davon, werden am besten aus der folgenden Beschreibung spezifischer beispielhafter Ausführungsformen verstanden werden, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen werden.
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Die Verben „umfassen” und „enthalten” werden in diesem Dokument als offene Einschränkungen verwendet, welche die Existenz auch von ungenannten Merkmalen weder ausschließen noch erfordern. Die in abhängigen Ansprüchen genannten Merkmale sind miteinander frei kombinierbar, sofern nicht ausdrücklich anders festgelegt. Außerdem wird davon ausgegangen, dass die Verwendung von ”ein” oder ”eine”, d. h. eine Singularform, in diesem Dokument durchweg als solche keine Mehrzahl ausschließt.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Die beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung und ihre Vorteile werden im Folgenden im Sinne von Beispielen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen:
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1a ein schematisches Blockdiagramm eines Energiewandlers gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung zeigt,
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1b eine perspektivische Ansicht des in 1a dargestellten Energiewandlers zeigt, und
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1c eine Ansicht eines Schnitts entlang der in 1b gezeigten Linie A-A zeigt.
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Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen
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1a zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Energiewandlers gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. 1b zeigt eine perspektivische Ansicht des Energiewandlers und 1c zeigt eine Ansicht eines Schnitts entlang der in 1b gezeigten Linie A-A. Die Schnittebene ist parallel zu der xy-Ebene eines Koordinatensystems 199. Der Energiewandler ist vorteilhaft ein Organic Rankine Cycle ”ORC” Energiewandler, welcher geeignetes organisches Fluid als das Arbeitsfluid verwendet. Das organische Fluid kann beispielsweise aber nicht notwendigerweise eines der Siloxane sein. Es ist auch möglich, dass der Energiewandler geeignetes nicht-organisches Fluid als das Arbeitsfluid verwendet. Der Energiewandler umfasst ein in den 1b und 1c gezeigtes Rahmenelement 140. In diesem beispielhaften Fall ist das Rahmenelement vorteilhaft ein einzelnes Stück geeigneten Gussmaterials, welches z. B. Aluminium oder Stahl sein kann. Das Rahmenelement 140 ist angeordnet, um als ein mechanischer Halterungsrahmen für die Funktionselemente des Energiewandlers zu fungieren. In Verbindung mit einigen der Funktionselemente kann das Rahmenelement auch als ein Teil dieser Funktionselemente fungieren. Zum Beispiel kann das Rahmenelement eine Außenhülle eines Wärmeaustauschelements darstellen, so dass das Wärmeaustauschelement durch Einbau der Innenteile des Wärmetauschelements in einen geeigneten Hohlraum des Rahmenelements hergestellt werden kann. Das Rohrleitungssystem zwischen den Funktionselementen ist wenigstens teilweise als Kanäle des Rahmenelements umgesetzt. Jeder Kanal des Rahmenelements kann z. B. eine an dem einzelnen Gussmaterialstück gemachte Bohrung oder ein während des Gießprozesses des Rahmenelements 140 gemachter Kanal sein. Flansche an den Enden des Rahmenelements 140, wie beispielsweise ein Flansch 141, können z. B. mit O-Ring-Dichtungen, wie beispielsweise eine O-Ring-Dichtung 142, abgedichtet sein, um eine hermetische Struktur bereitzustellen.
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Die Funktionselemente des Energiewandlers werden unten in Bezug auf das in 1a gezeigte Blockdiagramm erläutert. Die Funktionselemente sind in 1c mit den gleichen Figuren-Bezugszeichen wie in 1a bezeichnet. Die Anordnung von Funktionselementen kann sich jedoch von der in 1b und 1c dargestellten unterscheiden.
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Der Energiewandler umfasst eine elektrische Turbomaschine 101, siehe 1a und 1c, zum Umwandeln von von verdampftem Arbeitsfluid beinhalteter Energie in elektrische Energie. Die elektrische Turbomaschine 101 ist vorteilhafterweise eine Hochgeschwindigkeitsmaschine, deren Drehzahl z. B. so hoch sein kann wie 10000...60000 U/min. Die von der elektrischen Turbomaschine 101 ausgegebene elektrische Energie wird mit Hilfe eines Frequenzwandlers 106 einem Energieversorgungsnetz 150 zugeführt. Das Kabel, welches den Frequenzwandler 106 mit dem Energieversorgungsnetz koppelt, ist in den 1a–1c mit einem Bezugszeichen 114 bezeichnet. Ein Verdampfer, z. B. ein Boiler, 117, welcher das Arbeitsfluid verdampft, kann durch z. B. Abwärme 127 betrieben werden, welche aus einem wärmeerzeugenden Prozess oder einer wärmeerzeugenden Maschine, z. B. einem Verbrennungsmotor, erhalten wird.
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In dem in den 1a–1c dargestellten beispielhaften Fall umfasst der Energiewandler eine Rohrleitungssystemschnittstelle 112a, 112b zum Anschließen an den Verdampfer 117, welcher kein integraler Bestandteil des Energiewandlers, sondern ein externes Element ist. In einem Energiewandler gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Verdampfer ein integraler Bestandteil des Energiewandlers und der Verdampfer ist innerhalb des Rahmenelements des Energiewandlers umgesetzt.
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Die elektrische Turbomaschine 101 umfasst einen Generatorabschnitt 118 und einen Turbinenabschnitt 119. Eine Förderpumpe 103 zum Pumpen des Arbeitsfluids zu dem Verdampfer ist in die elektrische Turbomaschine 101 integriert. Der Generatorabschnitt 118 umfasst einen Stator und einen Rotor zum magnetischen Zusammenwirken mit dem Stator. Der Stator umfasst eine Statorkernstruktur, die eine Mehrzahl an Statorzähnen und Statornuten aufweist, und eine Statorwicklung, die eine Mehrzahl an Statorspulen aufweist. Der Rotor des Generatorabschnitts kann Permanentmagnete umfassen, um einen magnetischen Fluss zu erzeugen, welcher in den Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator eindringt. In diesem Fall ist der Generatorabschnitt dazu in der Lage, als ein Permanentmagnet-Synchrongenerator ”PMSG” zu operieren. Es ist auch möglich, dass der Rotor elektrisch leitfähige Strukturen umfasst, so dass der Generatorabschnitt dazu in der Lage ist, als ein Asynchrongenerator zu operieren. Der Turbinenabschnitt 119 umfasst einen Diffusor, einen Stator-Düsenring und ein erstes Laufrad, welches dazu geeignet ist, als eine Turbine zum Drehen des Rotors des Generatorabschnitts zu operieren. Die Förderpumpe 103 umfasst ein zweites Laufrad zum Pumpen des Arbeitsfluids. In dem in den 1a bis 1c dargestellten beispielhaften Energiewandler sind die ersten und zweiten Laufräder direkt mit dem Rotor des Generatorabschnitts gekoppelt. Der Stator-Düsenring, das Laufrad und der Diffusor des Turbinenabschnitts 119 sind vorteilhaft dazu geeignet, als eine Radialturbinenstufe zu operieren, deren Reaktionsgrad niedriger als 50%, beispielsweise 30%, ist. Somit kann die axiale Höhe der Laufradschaufeln erhöht werden und als eine logische Folge kann das Verhältnis des Axialspiels zur axialen Höhe des Stators und des Laufrades kleiner gemacht und somit die Effizienz verbessert werden. Der Reaktionsgrad oder das Reaktionsverhältnis ist als das Verhältnis des statischen Enthalpieabfalls in dem Laufrad zu dem statischen Enthalpieabfall in der gesamten Turbinenstufe definiert. Das Laufrad der Förderpumpe 103 kann zum Beispiel ein gerades Schaufelradiallaufrad einer ”Barske”-Typ-Teilemissionspumpe sein. Das Laufrad der Förderpumpe kann zur Verringerung des Risikos von Kavitation an den Schaufeln des Laufrades mit einem schraubenartigen Induktor bereitgestellt sein und damit den erforderlichen Vorförderdruck reduzieren.
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Der Energiewandler umfasst einen Kondensator 102 zum Kondensieren des verdampften von der elektrischen Turbomaschine 101 ausgegebenen Arbeitsfluids und ein Förderpumpensystem zum Pumpen des kondensierten Arbeitsfluids zu dem Verdampfer 117. In dem in den 1a bis 1c dargestellten beispielhaften Energiewandler umfasst das Förderpumpensystem die oben genannte Förderpumpe 103, eine Vorförderpumpe 115 und einen Ejektor 116 zum Zuführen an die Förderpumpe, der von dem Ausgangsstrom der Förderpumpe 103 betrieben wird. In einem typischen Energiewandler der hier beschriebenen Art, welcher eine Ausgangsleistung von etwa 10 kW aufweist, kann die Höhe h1 der Wärmetauscherstruktur des Kondensators 102 z. B. etwa 150 mm, die Breite w1 z. B. etwa 660 mm und die Tiefe in der z-Richtung des Koordinatensystems z. B. etwa 330 mm betragen.
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In dem in den 1a–1c dargestellten beispielhaften Fall umfasst der Energiewandler Kanäle 107 zum Leiten des Arbeitsfluids zu den Lagern der elektrischen Turbomaschine 101, um die Lager mit dem Arbeitsfluid zu schmieren. Außerdem umfasst der in den 1a–1c dargestellte Energiewandler einen Kondensatorbehälter 105 zum Speichern des kondensierten Arbeitsfluids. Ein Energiewandler gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst eine Rohrleitungssystemschnittstelle zum Anschließen an einen externen Kondensatorbehälter, welcher kein integraler Bestandteil des Energiewandlers ist.
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Der in den 1a bis 1c dargestellte beispielhafte Energiewandler umfasst einen Rekuperator 104 zum Erhöhen des Wirkungsgrades der Energieumwandlung. Der Rekuperator ist ein Wärmeaustauschelement, welches angeordnet ist, um Wärmeenergie von dem durch die elektrische Turbomaschine 101 ausgegebenen verdampften Arbeitsfluid zu dem durch die Förderpumpe 103 ausgegebenen kondensierten Arbeitsfluid zu übertragen und dem Verdampfer 117 zuzuführen. In einem typischen Energiewandler der hier beschriebenen Art, welcher eine Ausgangsleistung von etwa 10 kW aufweist, kann die Höhe h2 der Wärmetauscherstruktur des Rekuperators 104 z. B. etwa 120 mm, die Breite w2 z. B. etwa 400 mm und die Tiefe in der z-Richtung des Koordinatensystems z. B. etwa 370 mm betragen.
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Der in den 1a–1c dargestellte beispielhafte Energiewandler umfasst ferner erste Kühlkanäle 108 zum Leiten von Kühlmittel, z. B. Wasser, zu und von der elektrischen Turbomaschine 101 und zweite Kühlkanäle 109 zum Leiten von Kühlmittel zu und von dem Kondensator 102. Wie in 1a dargestellt, bilden die ersten und zweiten Kühlkanäle zueinander parallele Strömungspfade für das Kühlmittel. Die ersten und zweiten Kühlkanäle können mit Hilfe einer Rohrleitungssystemschnittstelle 110a, 110b an einen externen Kühlmittelkreislauf angeschlossen sein. Dies ist jedoch nur ein Beispiel einer Kühlanordnung der elektrischen Turbomaschine 101. Sie kann auch auf andere Weise gekühlt werden.
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Außerdem umfasst der in den 1a–1c dargestellte beispielhafte Energiewandler ein Turbinenventil 125 und möglicherweise auch andere Steuerungs-/Regelungs- und/oder Sicherheitsgeräteausstattung.
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Die in der obigen Beschreibung bereitgestellten spezifischen Beispiele sollten nicht als beschränkend ausgelegt werden. Daher ist die Erfindung nicht nur auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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