DE212014000185U1

DE212014000185U1 - energy converters

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Publication number: DE212014000185U1
Application number: DE212014000185.4U
Authority: DE
Original assignee: VISORC Oy
Current assignee: VISORC Oy
Priority date: 2013-09-19
Filing date: 2014-09-18
Publication date: 2016-05-04
Anticipated expiration: 2024-09-19
Also published as: AT15009U1; FI20130266L; WO2015040279A1

Abstract

Energiewandler, umfassend Funktionselemente, welche wenigstens das Folgende umfassen: – eine elektrische Turbomaschine (101) zum Umwandeln von von verdampftem Arbeitsfluid beinhalteter Energie in elektrische Energie, – einen Kondensator (102) zum Kondensieren des verdampften von der elektrischen Turbomaschine ausgegebenen Arbeitsfluids, und – eine Förderpumpe (103) zum Pumpen des kondensierten Arbeitsfluids zu einem Verdampfer, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiewandler ferner ein Rahmenelement (140) umfasst, welches angeordnet ist, um als ein mechanischer Halterungsrahmen für die Funktionselemente zu fungieren, und dass ein Rohrleitungssystem zwischen den Funktionselementen wenigstens teilweise als Kanäle des Rahmenelements umgesetzt ist, wobei das Rahmenelement ferner eine Rohrleitungssystemschnittstelle (110a, 110b) zum Leiten von Kühlmittel zu und von dem Kondensator umfasst.An energy converter comprising functional elements comprising at least the following: - an electric turbo-machine (101) for converting energy contained in vaporized working fluid into electrical energy, - a condenser (102) for condensing the vaporized working fluid discharged from the electric turbomachine, and - a A feed pump (103) for pumping the condensed working fluid to an evaporator, characterized in that the energy converter further comprises a frame member (140) arranged to act as a mechanical support frame for the functional elements, and at least one piping system between the functional elements partially implemented as channels of the frame member, the frame member further comprising a piping system interface (110a, 110b) for conducting coolant to and from the condenser.

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

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.The invention generally relates to energy converters for converting thermal energy into electricity. In particular, the invention relates to a mechanical construction of an energy converter, which, for example, but not necessarily based on the Organic Rankine Cycle "ORC".

Hintergrundbackground

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.Small energy converters, which may be based on, for example, the Organic Rankine Cycle "ORC" process, can be used to convert the thermal energy of the waste heat into electricity, which is readily used for various purposes. The waste heat can be obtained from various heat-generating processes or heat-generating machines, for. As an internal combustion engine or a gas turbine, where the waste heat by the temperature of the waste heat and / or by the surrounding circumstances can not be used as such or by means of conventional heat exchangers or corresponding means.

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.It can be shown thermodynamically that the ORC process is an applicable technique for this type of energy conversion. The heat of vaporization of organic working fluid is with respect to z. For example, the heat of evaporation of water is small, and its decrease in specific enthalpy in the turbine is small, and the mass flow rate in terms of power is high, whereby it is possible to achieve high turbine efficiency even in a small capacity range. The use of high speed technology, where the turbine is directly coupled to a generator which rotates at the same speed and thus generates high frequency current, has made it possible to further simplify the process in such a way that e.g. As a separate reduction gear, which is required in the usual method is not needed. The high-speed technology also makes it possible to provide a hermetic process, which means significant savings in operating costs.

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.The publication EP 0090022 describes an energy converter comprising an evaporator, e.g. As a boiler, a radial turbine, a condenser, a feed pump and a high-speed generator. The energy converter may further comprise a recuperator and a feed pump. The thermal energy supplied to the evaporator is arranged to maintain that the Organic Rankine cycle process drives the generator and thus generates electricity. The radial turbine and the feed pump are directly coupled to the rotor of the generator. The rotor is rotatably supported by gas dynamic bearings using the organic working fluid in gaseous form. The rear surface of the radial turbine is arranged to serve as a stop surface of a gas-static thrust bearing.

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.However, energy converters of the type described above are not free of challenges. One of the challenges relates to the fact that an energy converter of the type described above for transferring gaseous and liquid substances and many heat exchange elements comprises a complex pipeline system. The production, in particular of the complex pipeline system, can also be expensive in series production.

ZusammenfassungSummary

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.The following is a simplified summary to provide a basic understanding of some embodiments of the invention. The abstract is not a comprehensive overview of the invention. It is not intended to identify key or critical elements of the invention, nor to illustrate the scope of the invention. The following summary merely sets forth some concepts of the invention in a simplified form as an introduction to a more detailed description of exemplary embodiments of the invention.

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.

According to the invention, a novel energy converter is provided which, for example but not necessarily, can be based on the Organic Rankine cycle process "ORC". An energy converter according to the invention comprises functional elements which comprise at least the following:

An electric turbomachine for converting energy contained in vaporized working fluid into electrical energy,
A condenser for condensing the evaporated working fluid discharged from the electric turbo-machine, and
A feed pump for pumping the condensed working fluid to an evaporator.

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.The energy converter further comprises a frame member arranged to function as a mechanical support frame for the functional elements. In addition, a piping system between the functional elements is at least partially implemented as channels of the frame element. The frame member further includes a piping system interface for conducting coolant to and from the condenser. The frame member is advantageously a single one Piece of material that may be made, for example, by casting, extrusion or laser sintering. Each channel of the frame element may, for. B. a hole made on the frame member or a while z. Example, a casting, extrusion or laser sintering process for making the frame member made channel. Therefore, the mechanical structure of the energy converter can be made compact, robust and cost-effective.

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.In addition to the above-mentioned turbomachine, condenser and feed pump, the functional elements attached to the frame member may include an evaporator, a recuperator, a condenser tank, a frequency converter, a feed pump, a valve system and / or control / safety and / or safety equipment.

Eine Anzahl an nicht-beschränkenden und beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung ist in den beigefügten abhängigen Ansprüchen beschrieben.A number of non-limiting and exemplary embodiments of the invention are described in the appended dependent claims.

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.Various exemplary embodiments of the invention, both as to structure and method of operation, together with further objects and advantages thereof, will be best understood from the following description of specific exemplary embodiments when read in conjunction with the accompanying drawings.

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.The verbs "include" and "contain" are used in this document as open constraints that neither exclude nor require the existence of unnamed features. The features mentioned in the dependent claims are freely combinable with each other, unless expressly stated otherwise. It is also assumed that the use of "a" or "an", ie. H. a singular form, throughout this document does not exclude a plurality.

Kurzbeschreibung der FigurenBrief description of the figures

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:The exemplary embodiments of the invention and their advantages are explained in more detail below by way of example and with reference to the accompanying drawings, in which:

1a ein schematisches Blockdiagramm eines Energiewandlers gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung zeigt, 1a 3 shows a schematic block diagram of an energy converter according to an exemplary embodiment of the invention,

1b eine perspektivische Ansicht des in 1a dargestellten Energiewandlers zeigt, und 1b a perspective view of the in 1a shown energy converter shows, and

1c eine Ansicht eines Schnitts entlang der in 1b gezeigten Linie A-A zeigt. 1c a view of a section along the in 1b shown line AA.

Beschreibung von beispielhaften AusführungsformenDescription of Exemplary Embodiments

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. 1a shows a schematic block diagram of an energy converter according to an exemplary embodiment of the invention. 1b shows a perspective view of the energy converter and 1c shows a view of a section along the in 1b shown line AA. The cutting plane is parallel to the xy plane of a coordinate system 199 , The energy converter is advantageously an Organic Rankine Cycle "ORC" energy converter that uses suitable organic fluid as the working fluid. For example, the organic fluid may not necessarily be one of the siloxanes. It is also possible that the energy converter uses suitable non-organic fluid as the working fluid. The energy converter includes one in the 1b and 1c shown frame element 140 , In this exemplary case, the frame member is advantageously a single piece of suitable casting material, which e.g. As aluminum or steel may be. The frame element 140 is arranged to act as a mechanical support frame for the functional elements of the energy converter. In conjunction with some of the functional elements, the frame element can also function as a part of these functional elements. For example, the frame member may constitute an outer shell of a heat exchange member so that the heat exchange member can be manufactured by installing the inner parts of the heat exchange member into a suitable cavity of the frame member. The piping system between the functional elements is at least partially implemented as channels of the frame element. Each channel of the frame element may, for. As a made on the single piece of cast piece of material bore or during the casting process of the frame member 140 be made channel. Flanges at the ends of the frame element 140 such as a flange 141 , z. B. with O-ring seals, such as an O-ring seal 142 , sealed to provide a hermetic structure.

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.The functional elements of the energy converter are described below in relation to the in 1a shown block diagram explained. The functional elements are in 1c with the same figure reference numerals as in FIG 1a designated. However, the arrangement of functional elements may differ from that in 1b and 1c differed.

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.The energy converter comprises an electric turbomachine 101 , please refer 1a and 1c for converting energy contained in vaporized working fluid into electrical energy. The electric turbomachine 101 is advantageously a high-speed machine whose speed z. B. can be as high as 10000 ... 60000 U / min. The from the electric turbo engine 101 output electrical energy is using a frequency converter 106 an energy supply network 150 fed. The cable, which is the frequency converter 106 coupled with the power grid is in the 1a - 1c with a reference number 114 designated. An evaporator, z. A boiler, 117 , which evaporates the working fluid, can be replaced by z. B. waste heat 127 operated, which from a heat-generating process or a heat-generating machine, for. As an internal combustion engine is obtained.

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.In the in the 1a - 1c In the exemplary case illustrated, the energy converter comprises a piping system interface 112a . 112b for connection to the evaporator 117 , which is not an integral part of the energy converter, but an external element. In an energy converter according to another exemplary embodiment of the invention, the evaporator is an integral part of the energy converter and the evaporator is implemented within the frame element of the energy converter.

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.The electric turbomachine 101 includes a generator section 118 and a turbine section 119 , A pump 103 for pumping the working fluid to the evaporator is in the electric turbomachine 101 integrated. The generator section 118 includes a stator and a rotor for magnetically cooperating with the stator. The stator includes a stator core structure having a plurality of stator teeth and stator slots, and a stator winding having a plurality of stator coils. The rotor of the generator section may include permanent magnets to generate a magnetic flux which penetrates into the air gap between the rotor and the stator. In this case, the generator section is capable of operating as a permanent magnet synchronous generator "PMSG". It is also possible that the rotor comprises electrically conductive structures, so that the generator section is capable of operating as an asynchronous generator. The turbine section 119 includes a diffuser, a stator-nozzle ring and a first impeller, which is adapted to operate as a turbine for rotating the rotor of the generator section. The pump 103 includes a second impeller for pumping the working fluid. In the in the 1a to 1c As shown exemplary energy converters, the first and second wheels are coupled directly to the rotor of the generator section. The stator nozzle ring, the impeller and the diffuser of the turbine section 119 are advantageously capable of operating as a radial turbine stage whose degree of reaction is less than 50%, for example 30%. Thus, the axial height of the impeller blades can be increased, and as a logical consequence, the ratio of the axial clearance to the axial height of the stator and the impeller can be made smaller and thus the efficiency can be improved. The degree of reaction or reaction ratio is defined as the ratio of the static enthalpy drop in the impeller to the static enthalpy drop throughout the turbine stage. The impeller of the feed pump 103 For example, it may be a straight impeller impeller of a "Barske" type partial emission pump. The impeller of the feed pump may be provided to reduce the risk of cavitation on the blades of the impeller with a helical inductor and thus reduce the required feed pressure.

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.The energy converter comprises a capacitor 102 for condensing the vaporized from the electric turbomachine 101 output working fluid and a feed pump system for pumping the condensed working fluid to the evaporator 117 , In the in the 1a to 1c As illustrated exemplary energy converter, the feed pump system comprises the above-mentioned feed pump 103 , a prefeed pump 115 and an ejector 116 for feeding to the feed pump, that of the output flow of the feed pump 103 is operated. In a typical energy converter of the type described herein which has an output power of about 10 kW, the height h1 of the heat exchanger structure of the capacitor 102 z. B. about 150 mm, the width w1 z. B. about 660 mm and the depth in the z-direction of the coordinate system z. B. be about 330 mm.

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.In the in the 1a - 1c As illustrated, the energy converter includes channels 107 for conducting the working fluid to the bearings of the electric turbomachine 101 to lubricate the bearings with the working fluid. In addition, the includes in the 1a - 1c illustrated energy converter a capacitor tank 105 for storing the condensed working fluid. An energy converter according to another exemplary embodiment of the invention includes a piping system interface for connection to an external condenser tank, which is not an integral part of the energy converter.

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.The in the 1a to 1c Illustrated exemplary energy converter includes a recuperator 104 for increasing the efficiency of energy conversion. The recuperator is a heat exchange element arranged to absorb heat energy from that by the electric turbo-machine 101 discharged vaporized working fluid to the by the feed pump 103 transferred condensed working fluid and the evaporator 117 supply. In a typical energy converter of the type described here, which has an output power of about 10 kW, the Height h2 of the heat exchanger structure of the recuperator 104 z. B. about 120 mm, the width w2 z. B. about 400 mm and the depth in the z-direction of the coordinate system z. B. be about 370 mm.

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.The in the 1a - 1c Illustrated exemplary energy converter further includes first cooling channels 108 for conducting coolant, e.g. As water, to and from the electric turbomachine 101 and second cooling channels 109 for conducting coolant to and from the condenser 102 , As in 1a As shown, the first and second cooling channels form parallel flow paths for the coolant. The first and second cooling channels may be connected by means of a piping system interface 110a . 110b be connected to an external coolant circuit. However, this is just one example of a cooling arrangement of the electric turbomachine 101 , It can also be cooled in other ways.

Außerdem umfasst der in den 1a–1c dargestellte beispielhafte Energiewandler ein Turbinenventil 125 und möglicherweise auch andere Steuerungs-/Regelungs- und/oder Sicherheitsgeräteausstattung.In addition, the includes in the 1a - 1c illustrated exemplary energy converter a turbine valve 125 and possibly also other control and / or safety device equipment.

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.The specific examples provided in the above description should not be construed as limiting. Therefore, the invention is not limited only to the above-described embodiments.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 0090022 [0004] EP 0090022 [0004]

Claims

Energiewandler, umfassend Funktionselemente, welche wenigstens das Folgende umfassen: – eine elektrische Turbomaschine (101) zum Umwandeln von von verdampftem Arbeitsfluid beinhalteter Energie in elektrische Energie, – einen Kondensator (102) zum Kondensieren des verdampften von der elektrischen Turbomaschine ausgegebenen Arbeitsfluids, und – eine Förderpumpe (103) zum Pumpen des kondensierten Arbeitsfluids zu einem Verdampfer, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiewandler ferner ein Rahmenelement (140) umfasst, welches angeordnet ist, um als ein mechanischer Halterungsrahmen für die Funktionselemente zu fungieren, und dass ein Rohrleitungssystem zwischen den Funktionselementen wenigstens teilweise als Kanäle des Rahmenelements umgesetzt ist, wobei das Rahmenelement ferner eine Rohrleitungssystemschnittstelle (110a, 110b) zum Leiten von Kühlmittel zu und von dem Kondensator umfasst.Energy converter comprising functional elements which comprise at least the following: - an electric turbo-machine ( 101 ) for converting energy contained in vaporized working fluid into electrical energy, - a capacitor ( 102 ) for condensing the vaporized working fluid discharged from the electric turbo-machine, and - a feed pump ( 103 ) for pumping the condensed working fluid to an evaporator, characterized in that the energy converter further comprises a frame element ( 140 ), which is arranged to act as a mechanical support frame for the functional elements, and that a piping system is at least partially implemented between the functional elements as channels of the frame element, wherein the frame element further comprises a piping system interface ( 110a . 110b ) for conducting coolant to and from the condenser.

Energiewandler nach Anspruch 1, wobei die Funktionselemente ferner den Verdampfer umfassen.Energy converter according to claim 1, wherein the functional elements further comprise the evaporator.

Energiewandler nach Anspruch 1, wobei der Energiewandler eine Rohrleitungssystemschnittstelle zum Anschließen an den Verdampfer umfasst.The energy converter of claim 1, wherein the energy converter comprises a piping system interface for connection to the evaporator.

Energiewandler nach einem der Ansprüche 1–3, wobei die Funktionselemente ferner einen Rekuperator (104) umfassen, um Wärmeenergie von dem durch die elektrische Turbomaschine ausgegebenen verdampften Arbeitsfluid zu dem durch die Förderpumpe ausgegebenen kondensierten Arbeitsfluid zu übertragen.Energy converter according to one of claims 1-3, wherein the functional elements further comprise a recuperator ( 104 ) to transfer heat energy from the vaporized working fluid output by the electric turbo-machine to the condensed working fluid discharged by the feed pump.

Energiewandler nach einem der Ansprüche 1–4, wobei die Funktionselemente ferner einen Kondensatorbehälter (105) zum Speichern von kondensiertem Arbeitsfluid umfassen.Energy converter according to one of claims 1-4, wherein the functional elements further comprise a capacitor container ( 105 ) for storing condensed working fluid.

Energiewandler nach einem der Ansprüche 1–4, wobei der Energiewandler eine Rohrleitungssystemschnittstelle zum Anschließen an einen externen Kondensatorbehälter zum Speichern des kondensierten Arbeitsfluids umfasst.The energy converter of any one of claims 1-4, wherein the energy converter comprises a piping system interface for connection to an external condenser tank for storing the condensed working fluid.

Energiewandler nach einem der Ansprüche 1–6, wobei die Funktionselemente ferner einen Frequenzwandler (106) umfassen, um die von der elektrischen Turbomaschine ausgegebene elektrische Energie an ein externes elektrisches System zu liefern.Energy converter according to one of claims 1-6, wherein the functional elements further comprise a frequency converter ( 106 ) to supply the electric power output from the electric turbo-machine to an external electric system.

Energiewandler nach einem der Ansprüche 1–7, wobei der Energiewandler Kanäle (107) zum Leiten des Arbeitsfluids zu Lagern der elektrischen Turbomaschine umfasst, um die Lager der elektrischen Turbomaschine mit dem Arbeitsfluid zu schmieren.Energy converter according to one of claims 1-7, wherein the energy converter channels ( 107 ) for directing the working fluid to bearings of the electric turbomachine to lubricate the bearings of the electric turbomachine with the working fluid.

Energiewandler nach einem der Ansprüche 1–8, wobei der Energiewandler erste Kühlkanäle (108) zum Leiten von Kühlmittel zu und von der elektrischen Turbomaschine und zweite Kühlkanäle (109) zum Leiten des Kühlmittels zu und von dem Kondensator umfasst, wobei die ersten und zweiten Kühlkanäle zueinander parallele Strömungspfade für das Kühlmittel bilden.Energy converter according to one of claims 1-8, wherein the energy converter first cooling channels ( 108 ) for conducting coolant to and from the electric turbomachine and second cooling channels ( 109 ) for conducting the coolant to and from the condenser, wherein the first and second cooling channels form mutually parallel flow paths for the coolant.

Energiewandler nach einem der Ansprüche 1–9, wobei das Arbeitsfluid organisches Arbeitsfluid ist.An energy converter according to any one of claims 1-9, wherein the working fluid is organic working fluid.

Energiewandler nach einem der Ansprüche 1–10, wobei das Rahmenelement (140) ein einzelnes Materialstück ist, das durch eines der folgenden Herstellungsverfahren hergestellt ist: Gießen, Extrudieren oder Laser-Sintern.Energy converter according to one of claims 1-10, wherein the frame element ( 140 ) is a single piece of material made by one of the following manufacturing processes: casting, extrusion or laser sintering.