EP4303407A1 - Apparatus and method for converting low temperature heat into technically usable mechanical energy - Google Patents

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EP4303407A1
EP4303407A1 EP22183988.9A EP22183988A EP4303407A1 EP 4303407 A1 EP4303407 A1 EP 4303407A1 EP 22183988 A EP22183988 A EP 22183988A EP 4303407 A1 EP4303407 A1 EP 4303407A1
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EP
European Patent Office
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energy
working fluid
working
energy converter
liquid
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Application number
EP22183988.9A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Kristian Roßberg
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Individual
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/06—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using mixtures of different fluids
    • F01K25/065—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using mixtures of different fluids with an absorption fluid remaining at least partly in the liquid state, e.g. water for ammonia
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F02G1/0435—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines the engine being of the free piston type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B27/00—Instantaneous or flash steam boilers

Definitions

  • the invention relates to devices and methods for converting low-temperature heat with a maximum temperature of 200 ° C into technically usable mechanical energy and subsequently electrical energy.
  • TLC trilateral cycle
  • a working fluid is put under working pressure by a pressure pump, external heat is supplied in a heat exchanger, and this is converted into a rotational movement by partial evaporation of the working fluid in a heat engine, which drives a generator.
  • the resulting working medium vapor is condensed after it leaves the heat engine and the cycle begins again.
  • the technical challenge of the TLC process lies in the implementation of partial evaporation as forced flash evaporation with a vertically falling evaporation curve (see Fig. 1 , TS diagram, course from point 3 to point 5) through the wet steam area of the working fluid with a high proportion of liquid.
  • the aim of the present invention is a technical solution for converting low-temperature heat into technically usable energy by implementing flash evaporation according to the TLC process ( Fig. 1 ) while at the same time eliminating the disadvantages of the previously known devices.
  • first energy conversion device For better differentiation, the first energy conversion device is hereinafter referred to as “first energy converter” .
  • the device with double energy conversion is hereinafter referred to as the “ overall system .”
  • the thermodynamic process with double energy conversion implemented in the overall system is hereinafter referred to as the “ TLC2 process ” due to its similarity to the known TLC process and for better differentiation from the prior art.
  • Core component of the overall system 11 Fig. 4 is the first energy converter 21.
  • thermodynamic details of the TLC2 process for the entire system 11 as well as the associated TS and pV diagram are shown.
  • the working medium under pressure at point 2 is heated in a heat exchanger 31 by externally supplied thermal energy and fed to the first energy converter 21.
  • the step of flash evaporation (see Fig.3 , TS diagram) from working point 3 with the maximum temperature to working point 5 with the minimum temperature. This achieves a maximum in exergetic efficiency.
  • the working medium raised and partially evaporated by the first energy converter 21 is collected after exiting the first energy converter 21, the working medium vapor 54 condenses, collected together with the working medium 51 that remains liquid and returned to the lower level while performing mechanical work in a second energy converter 34 .
  • the product of the pressure difference and the volume of the working medium corresponds to the thermal energy converted into potential energy in the first energy converter 21.
  • the first energy converter The first energy converter
  • the physical and technical basis for the first energy converter 21 are work areas AB delimited by two pistons 170 and filled with warm working fluid AM.
  • a plurality of these work areas, separated by pistons 170, are arranged one above the other in an upwardly directed tube (see FIG. 5b).
  • Each work area is under a local working pressure pA, which is generated by the other work areas located in the pipe above the respective work area.
  • the working medium AM has partially evaporated in a flash evaporation with a simultaneous increase in volume and has cooled down as a result of the flash evaporation (see Fig. 5b).
  • the weight medium In contrast to the working medium, the weight medium is not heated by the heat source.
  • the working medium and the weight medium can - but do not have to - be identical, i.e. non-heated work medium is used as the weight medium.
  • the weight medium has the effect - with otherwise the same processes as before Fig 5 described - due to its own weight, an increase in the working pressure on each working area AB located in the upward pipe. This makes it possible - as will be shown later - to significantly reduce the height of the upward pipe required to build up the working pressure pA.
  • the in Fig. 7 The structure of the overall system 12 shown with a further developed first energy converter 22 is largely identical to the overall system 11 Fig. 4 .
  • thermodynamic processes of the TLC2 process Fig. 3 also apply to the entire system 12 with the further developed first energy converter 22.
  • the entire system can be easily regulated. It is particularly advantageous that the further developed first energy converter can also be operated in an operating mode without a weight medium, thus extending the usable temperature range to lower temperatures and temperature differences.
  • first energy converter and the further developed first energy converter for converting thermal energy into potential energy allow any number of upward pipes to be built in parallel for energy conversion (see Fig.8 ).
  • thermodynamic steps follows the course of the TLC2 process Fig.3 .
  • the starting point of the energy conversion process is point 2 of the TLC2 process (see Fig.3 , TS and pV diagram) in the lower area of the overall systems 11 and 12 (see Fig. 4 and 7 ).
  • the cold liquid working medium 51 is under pressure and is fed through feeds 40 to the heat exchanger 31 to absorb thermal energy from the low-temperature heat source and is heated therein without evaporating.
  • geothermal heat In addition to geothermal heat, ocean heat, solar heat, waste heat from technical processes (e.g. steel and plastics industries), heat from cooling processes (e.g. cold storages, data centers), heat from combustion processes (e.g. waste incineration, biogas) or residual heat from other processes (e.g. chemical industry) can be used as low-temperature heat sources ) be used.
  • technical processes e.g. steel and plastics industries
  • cooling processes e.g. cold storages, data centers
  • heat from combustion processes e.g. waste incineration, biogas
  • residual heat from other processes e.g. chemical industry
  • all organic and inorganic substances as well as mixtures of substances can be used as working materials that cover the temperature range from the maximum temperature of the low-temperature heat source to the minimum temperature of the vapor liquefaction as a liquid without thermal decomposition and cover without freezing.
  • the heated working medium 52 emerging from the heat exchanger 31 then flows through thermally insulated feeds 40 to the first energy converter 21 ( Fig.4 , overall system 11) or the further developed first energy converter 22 ( Fig.7 , overall system 12).
  • the thermal energy absorbed by the warm liquid working fluid 52 is corresponding to the TLC2 process (see Fig.3 , points 4' and 4") converted into potential energy by performing volume change work in the form of lifting work.
  • the work equipment and the weight medium are raised from the lower to the upper area.
  • the working equipment is in accordance with the TLC2 process (see Fig.3 : Course points 4' and 4") partially evaporated and cooled overall.
  • the still liquid portion of the cold working fluid 51 leaves at the upper level (point 5) in the overall system 11 ( Fig.4 ) or overall system 12 ( Fig.7 ) the first energy converter 21 or 22 and flows to the collecting container 33.
  • the weight medium 60 also flows directly to the collecting container 33 and increases the volume of the liquid cold working medium 51.
  • the evaporated and cooled portion of the working fluid 54 also leaves the first energy converter 21 and 22 in both overall systems 11 and 12, flows to the steam liquefaction device 32 and is liquefied again here with a reduction in entropy (point 6). Any non-condensable gases that may arise are sucked out here.
  • the cold working medium 51 which is liquid again, also flows into the collecting container 33.
  • the cold working medium 51 (including the former weight medium 60) now has potential energy.
  • the cold working medium 51 - in the overall system 12 also the weight medium 60 - flows through pressure-stable feeds 42 to the second energy converter 34 while pressure builds up.
  • the liquid column At the inlet of the second energy converter 34, the liquid column generates a high pressure (point 7). This pressure is partially converted into mechanical energy in the second energy converter 34, which is subsequently converted into electrical energy in a generator, for example, but can also be used as mechanical energy to drive machines.
  • the cold working medium 51 leaves the second energy converter 34 under a remaining residual pressure, hereinafter referred to as metering pressure pD.
  • This metering pressure pD corresponds to point 2 of the TLC2 process and is so high that the working fluid 51 does not subsequently begin to evaporate when thermal energy is absorbed again in the heat exchanger 31.
  • the entire working fluid 51 is fed to the heat exchanger 31 again.
  • part of the cold heat medium 51 is separated as a weight medium 60 and fed directly to the first energy converter 22.
  • the remaining working fluid 51 is fed to the heat exchanger 31 again.
  • first energy converters 21 or further developed first energy converters 22 can be used in parallel (see Fig. 6 - shown using the example of the entire system 11).
  • the number of the first energy converters can be as high as desired.
  • a corresponding adjustment of the performance of the shared components heat exchanger 31, steam condenser 32, collecting container 33 and the second energy converter 34 is assumed.
  • the operation of the overall systems 11 and 12 is based only on the pressure difference between the vapor pressure at maximum working temperature and the vapor pressure at vapor liquefaction temperature.
  • the condensation heat can heat heating water.
  • the amount of energy generated by the entire system decreases accordingly.
  • the exergetic efficiency of the entire system changes according to the degree of use of the condensation heat.
  • Fig. 10 overall system 13
  • Fig. 11 shows a preferred arrangement for using low-temperature heat from solar thermal heating, but also from flue gases or coolant vapors.
  • the common feature of the overall systems 13 and 14 is that the heat exchanger 31 for introducing the low-temperature heat is arranged between the collecting container 33 and the second energy converter 34 and extends over the head H.
  • the working medium 51 to be heated passes through the heat exchanger 31 while pressure builds up at the same time and is fed to the second energy converter 34 as already heated working medium 52. After the warm working fluid exits the second energy converter 34, there is no evaporation due to the remaining high metering pressure pD. The heated working fluid is then fed directly to the first energy converter 21 or 22.
  • thermodynamic sequence of the M-TLC2 process is visually similar in the p-V diagram; compared to the TLC2 process, little changes.
  • the starting point for the conversion of thermal energy into potential energy is in the lower area of the pipe system, - shown as an example - in the lower pipe bend 110.
  • pistons 170 which are under the pressure pK of the subsequent piston stack 171, are introduced into the introduction devices 121 ( Fig.12 ) or 122 ( Fig.13 ) pushed.
  • the pressure pK of the piston stack 171 from the descent pipe 160 is greater than the maximum working pressure pA.
  • the introduction device 121 or 122 is supplied from the outside with the heated working medium 52, which is under a metering pressure pD - which is greater than the maximum working pressure pA.
  • the heated working fluid 52 is then introduced between two pistons 170 in the introduction device 121 or 122. This area becomes a work area AB.
  • cold working medium can be introduced as a weight medium 60 between two work areas AB.
  • An area filled with weight medium 60 thus becomes a weight area GB.
  • the amount of media supplied and the time of introduction are controlled by metering devices 126.
  • individual pistons 170 can be briefly stopped in the introduction devices 121 and 122 by a piston stop device 125. After the stopped pistons 170 are released, the introduced areas are pushed into the riser pipe 130 by the pressure of the subsequent pistons 170 or the next introduced areas.
  • the pistons 170 create a spatial and thermally insulated boundary for the heated working medium or the weight medium from the preceding or following areas.
  • any area between two pistons can be a working area or a weight area.
  • Step 2 Conversion of thermal energy into potential energy
  • the preferred embodiment of the riser pipe 130 according to the invention is vertical without a change in direction.
  • the general basic principle of pressure build-up also allows an oblique, helical or other upward design of the rise pipe 130.
  • the working fluid 52 After falling below a working pressure pA which is dependent on the temperature and the vapor pressure curve of the warm working fluid, the working fluid 52 begins to evaporate in a flash evaporation, so that warm working fluid vapor 53 is formed. This results in an increase in the volume of the work area while at the same time cooling down the work equipment.
  • the working pressure pA which rests on the work and weight areas remaining in the riser pipe 130 (the latter only in the further developed first energy converter 22), is reduced.
  • the working fluid 52 has partially evaporated and cooled down to the condensation temperature.
  • the resulting working medium vapor 54 is expanded with an increase in volume and cooling down to condensation pressure.
  • the p-V characteristic of the first energy converters is variable and, due to the self-regulating working pressure pA of each individual work area and the resulting forced expansion evaporation of the work fluid, automatically adapts to the p-V evaporation characteristic of the work fluid in the temperature range used.
  • Step 3 Separation and removal of media
  • the media are separated in the separation device 150.
  • the remaining liquid working fluid 51 is collected, collected and fed to the collecting container 33.
  • the remaining liquid working medium 51 is collected together with the weight medium 60.
  • the working fluid vapor 54 is supplied to the vapor liquefaction device 32 through appropriate feeds 40. Any droplets of working fluid that may have been entrained by the working fluid vapor are separated in the separation device 150 and fed to the collecting container 33.
  • the pistons 170 which are inoperative after the media exits the pipe system, are guided further to the descent pipe 160. There, due to the weight of the pistons, the remaining working medium vapor 54 is pressed out of the pipe system into the separation device 150 through outlet openings provided for this purpose.
  • the pistons 170 are brought together as a piston stack 171 and, due to their own weight, generate the piston pressure pK required in the insertion devices 121 and 122.
  • the inventive structure of the first energy converters 21 and 22 as a closed pipe system with free-running pistons opens up the possibility of energy conversion from thermal to potential energy with a very large and variable working range in terms of the possible increase in volume and the working pressure to be reduced.
  • stepless and variable flash evaporation of a working medium which can be achieved using the principle of individual small working areas, can only be compared with a very finely stepped turbine.
  • the flash evaporation curve can be shown in the TS diagram Fig. 3 and Fig. 9 from point 3 to point 5 pass through safely and completely and the thermal energy absorbed can be fully converted.
  • the tubes for guiding the pistons are provided with a well-sliding thermal internal insulation such as PTFE or polyamide (PA).
  • the pistons themselves are provided on the sealing surfaces with a sealing and sliding material that matches the material of the inner insulation of the pipe, which ensures both sealing of the areas and thermal insulation.
  • the contact of the working fluid with the pipe wall and the stripping of the working fluid from the pipe wall by the piston leads to turbulence and intensive mixing of the working fluid. This promotes the evaporation of the working fluid.
  • This turbulence can be further promoted through a suitable design of the piston and the piston seal.
  • the pistons also preferably have a roughened, porous surface, which promotes the formation of bubbles when the working fluid evaporates (comparable to the effect of boiling stones).
  • the main task of the piston seal is to provide a support function in order to prevent the pistons from tipping in the pipe system. This is possible through a suitable piston design.
  • Corresponding piston designs are known to those skilled in the art.
  • the pipe cross section supports the piston design.
  • non-circular pipe cross sections e.g. ellipse or oval
  • advantages for example in the design of the insertion device or the outlet openings and other tasks.
  • a design of the lower and upper sections of the circumferential pipe system as a horizontal zone with constant pressure (see examples Fig. 15 ) in combination with a non-circular pipe cross section facilitates the technical design of the introduction device 120 and the separation device 150.
  • the overall system 11 can be used Fig.4 Even small temperature differences of 10°K can be used.
  • the small pressure difference of only 0.033 MPa (0.33 bar), which is thermodynamically given due to the temperature difference, between the maximum working pressure and the vapor liquefaction pressure in the first energy converter 21 according to the invention is converted into a technically usable pressure difference of 0.25 MPa (2.5 bar) for the second energy converter 34 implemented.
  • Table 2 shows an example of a comparison of the overall systems 11 (without weight medium) and 12 (with weight medium) with otherwise identical input parameters.
  • Table 3 shows examples of the working parameters of an overall system 12 with a further developed first energy converter 22 at different working temperatures.
  • the temperature scenario shown (increase in the maximum working temperature from 40 to 100 °C) corresponds to the daily course of an energy converter with solar thermal heat supply and liquefaction of the working fluid vapor by ambient air as the ambient temperature increases (increase in the condensation temperature from 20 to 40 °C).
  • the changing operating parameters depending on the change in the maximum working temperature and the condensation temperature are clearly visible.
  • the last column shows an example of the influence of the condensation temperature on the achievable performance.
  • the number of working areas used corresponds to the number of seconds in which the working fluid passes through the flash evaporation curve from thermodynamic point 3 to point 5 of the TLC2 process.
  • Table 1 ⁇ /b> Process example for the implementation of the TLC2 process in the overall system 11 with a temperature difference of 10° between the inlet and condensation temperature Input parameters Unit

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Abstract

In einem zweistufigen Verfahren (Fig.4) wird thermische Energie aus einer Niedertemperaturquelle unter Realisierung des TLC2-Prozesses in einem ersten Energiewandler zunächst in potentielle Energie und nachfolgend in einem zweiten Energiewandler die potentielle Energie in technisch nutzbare mechanische Energie gewandelt.In a two-stage process (Fig. 4), thermal energy from a low-temperature source is first converted into potential energy in a first energy converter using the TLC2 process, and then the potential energy is converted into technically usable mechanical energy in a second energy converter.

Description

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zur Umwandlung von Niedertemperaturwärme mit einer Temperatur von maximal 200°C in technisch nutzbare mechanische Energie und nachfolgend elektrische Energie.The invention relates to devices and methods for converting low-temperature heat with a maximum temperature of 200 ° C into technically usable mechanical energy and subsequently electrical energy.

Stand der TechnikState of the art

Aufgrund der geringen Temperaturdifferenz von Niedertemperaturwärmequellen zu möglichen Wärmesenken wie Wasser oder Umgebungsluft und des daraus resultierenden niedrigen theoretischen Wirkungsgrades ist die möglichst vollständige Ausnutzung der theoretisch nutzbaren thermischen Energie wünschenswert. Möglich wird dies durch Realisierung eines Trilateral-Cycle (TLC-) Prozesses nach Smith ( US4,557,112 ), der theoretisch den höchsten exergetischen Wirkungsgrad im Vergleich zu anderen Wärmekraftprozessen wie einem Dampfkraftprozess oder ORC-Prozess aufweist.Due to the small temperature difference between low-temperature heat sources and possible heat sinks such as water or ambient air and the resulting low theoretical efficiency, it is desirable to utilize the theoretically usable thermal energy as completely as possible. This is made possible by implementing a trilateral cycle (TLC) process according to Smith ( US4,557,112 ), which theoretically has the highest exergetic efficiency compared to other thermal power processes such as a steam power process or ORC process.

Im TLC-Prozess nach Smith (siehe Fig. 1) durchläuft ein Arbeitsmittel die Schritte:

  • Isochore Druckerhöhung (Pkt. 1 - Pkt. 2)
  • Isobare Wärmezufuhr ohne Verdampfung des Arbeitsmittels (Pkt. 2 - Pkt. 3)
  • Isentrope Entspannungsverdampfung bei kontinuierlicher Druckverringerung mit gleichzeitiger Volumenvergrößerung und Verrichten von Volumenarbeit (Pkt. 3 - Pkt. 5)
  • Isobare Wärmeabfuhr und Kondensation des verdampften Anteils des Arbeitsmittels (Pkt. 5 - Pkt. 1)
In the TLC process according to Smith (see Fig. 1 ), a work equipment goes through the steps:
  • Isochoric pressure increase (point 1 - point 2)
  • Isobaric heat supply without evaporation of the working fluid (point 2 - point 3)
  • Isentropic flash evaporation with continuous pressure reduction with simultaneous increase in volume and performance of volume work (point 3 - point 5)
  • Isobaric heat dissipation and condensation of the evaporated portion of the working fluid (point 5 - point 1)

Der prinzipielle Aufbau einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik ist in Fig.2 dargestellt. Beginnend beim Punkt 1 wird ein Arbeitsmittel durch eine Druckpumpe unter Arbeitsdruck gesetzt, es wird in einem Wärmetauscher externe Wärme zugeführt, diese durch Teilverdampfung des Arbeitsmittels in einer Wärmekraftmaschine in eine Rotationsbewegung umgesetzt die einen Generator antreibt. Der entstandene Arbeitsmitteldampf wird nach Austritt aus der Wärmekraftmaschine kondensiert und der Kreislauf beginnt erneut.The basic structure of a device according to the prior art is in Fig.2 shown. Starting at point 1, a working fluid is put under working pressure by a pressure pump, external heat is supplied in a heat exchanger, and this is converted into a rotational movement by partial evaporation of the working fluid in a heat engine, which drives a generator. The resulting working medium vapor is condensed after it leaves the heat engine and the cycle begins again.

Die technische Herausforderung des TLC-Prozesses liegt in der Umsetzung der Teilverdampfung als erzwungene Entspannungsverdampfung mit einer senkrecht fallenden Verdampfungskurve (siehe Fig. 1, T-S-Diagramm, Verlauf von Punkt 3 zu Punkt 5) durch das Nassdampfgebiet des Arbeitsmittels mit einem hohen Anteil an Flüssigkeit.The technical challenge of the TLC process lies in the implementation of partial evaporation as forced flash evaporation with a vertically falling evaporation curve (see Fig. 1 , TS diagram, course from point 3 to point 5) through the wet steam area of the working fluid with a high proportion of liquid.

Das kontinuierliche, gleichzeitige und räumliche Nebeneinander von:

  • Reduktion des Arbeitsdruckes zur Initiierung der Entspannungsverdampfung des Arbeitsmittels
  • Volumenvergrößerung durch die Entspannungsverdampfung des Arbeitsmittels
  • Verrichten von Expansionsarbeit durch den entstehenden Dampf des Arbeitsmittel
  • im Nassdampfgebiet des Arbeitsmittels mit einem hohen Flüssigkeitsanteil
stellt hohe technische Anforderungen an die verwendete Vorrichtung.The continuous, simultaneous and spatial coexistence of:
  • Reduction of the working pressure to initiate the flash evaporation of the working fluid
  • Increase in volume through flash evaporation of the working fluid
  • Carrying out expansion work through the resulting steam from the working medium
  • in the wet steam area of the working fluid with a high liquid content
places high technical demands on the device used.

Bekannt sind verschiedene Vorrichtungen zur Umsetzung der Entspannungsverdampfung eines TLC-Prozesses:

  • US3,169,375 benennt Rotationsmaschinen
  • US4,557,112 benennt Screw- und Vaneexpander
  • US7,093,503 und DE102007041457 nennen Turbinensysteme
  • DE102006015754 verweist auf Kolbenmaschinen
Die Fachliteratur benennt überdies Scrollexpander und weitere Varianten von Rotary-Vane-Expandern als Expansionsmaschine.Various devices are known for implementing flash evaporation in a TLC process:
  • US3,169,375 names rotary machines
  • US4,557,112 names screw and vane expanders
  • US7,093,503 and DE102007041457 call turbine systems
  • DE102006015754 refers to piston engines
The specialist literature also names scroll expanders and other variants of rotary vane expanders as expansion machines.

Diese Vorrichtungen wurden zumeist als Kompressionsmaschinen für die Komprimierung von Gasen entwickelt oder aus Maschinen für andere Wärmekraftprozesse abgeleitet und weisen für eine Entspannungsverdampfungs nach dem TLC-Prozess teils ungünstige Parameter auf.These devices were mostly developed as compression machines for the compression of gases or derived from machines for other thermal power processes and sometimes have unfavorable parameters for flash evaporation after the TLC process.

Dazu gehören:This includes:

  • Die p-V-Kennlinie der Vorrichtung entspricht nicht oder nur ungenügend der p-V-Verdampfungs-kennlinie des Arbeitsmittels, was zu Umwandlungsverlusten führt
  • Ein zu geringes Expansionsverhältnis von Volumen und Druck und dadurch kein vollständiges Durchlaufen der Verdampfungskurve, was zu ungenutzter thermischer Energie führt
  • hohe Spalt-Verluste an technisch bedingten Dichtflächen bei durch höhere Temperaturen bedingten höheren Arbeitsdrücken
  • Schlechte Anpassung der Vorrichtung an Veränderungen der Eingangstemperatur bzw. der Kondensationstemperatur aufgrund mechanisch vorgegebener Arbeitspunkte
  • Reibungsverluste
  • Z.T. hohe Drehzahlen der Vorrichtung, die zusätzliche, verlustbehaftete Getriebe erfordern
  • Aufwendig und teuer zu fertigende Spezialkomponenten (wie u.a. Turbinen, Screw-Expander)
  • Bauteilschäden durch Tröpfchenerosion, ausgelöst durch eine schnelle, schlagartige Entspannungsverdampfung
Ein weiterer Punkt, der in der wissenschaftlichen Literatur häufig betont wird, ist die notwendige Pumpleistung, um am Anfang des Prozesses den benötigten Arbeitsdruck für das kalte flüssige Arbeitsmittel zu erzeugen, für die ein nicht geringer Teil der zuvor erzeugten Energie benötigt wird.
  • The pV characteristic of the device does not correspond or only insufficiently corresponds to the pV evaporation characteristic of the working fluid, which leads to conversion losses
  • An expansion ratio of volume and pressure that is too low and therefore does not complete the evaporation curve, which leads to unused thermal energy
  • High gap losses on technically-related sealing surfaces at higher working pressures caused by higher temperatures
  • Poor adaptation of the device to changes in the input temperature or the condensation temperature due to mechanically predetermined operating points
  • Frictional losses
  • Sometimes high speeds of the device, which require additional, lossy gears
  • Special components that are complex and expensive to produce (such as turbines, screw expanders, among others)
  • Component damage caused by droplet erosion caused by rapid, sudden flash evaporation
Another point that is often emphasized in the scientific literature is the pumping power required to generate the required working pressure for the cold liquid working fluid at the beginning of the process, for which a significant proportion of the previously generated energy is required.

Bekannt sind weiterhin verschiedene Vorrichtungen mit Rohrsystemen zur Umwandlung von thermischer Energie in technisch nutzbare Energie:

  • US 6 412 281
  • DE 10 2018 130 412
  • DE 40 35 870
  • DE 29 43 686
  • US 4 187 686
  • US 3 953 971
Various devices with pipe systems for converting thermal energy into technically usable energy are also known:
  • US 6,412,281
  • DE 10 2018 130 412
  • DE 40 35 870
  • DE 29 43 686
  • US 4,187,686
  • US 3,953,971

Aufgabe der ErfindungTask of the invention

Ziel der vorliegenden Erfindung ist eine technische Lösung zur Umwandlung von Niedertemperaturwärme in technisch nutzbare Energie unter Realisierung einer Entspannungsverdampfung nach dem TLC-Prozesses (Fig. 1) bei gleichzeitiger Beseitigung der Nachteile der bisher bekannten Vorrichtungen.The aim of the present invention is a technical solution for converting low-temperature heat into technically usable energy by implementing flash evaporation according to the TLC process ( Fig. 1 ) while at the same time eliminating the disadvantages of the previously known devices.

D.h. die neue technische Lösung soll folgende Eigenschaften aufweisen:

  • die p-V-Kennlinie der Vorrichtung entspricht der p-V-Verdampfungskennlinie des Arbeitsmittels
  • Ein großes volumenbezogenes Expansionsverhältnis
  • Ein großes druckbezogenes Expansionsverhältnis
  • geringe Spaltverluste an technisch bedingten Dichtflächen
  • Vermeidung einer schlagartigen Entspannungsverdampfung und dadurch ausgelöster Tröpfchenerosion
  • Minimierung der zur Erzeugung des Arbeitsdruckes erforderlichen Pumpleistung
  • Leichte Anpassung an Veränderungen der thermischen Umgebungsparameter wie Temperatur der Wärmequelle bzw. der Kondensationstemperatur
  • Abdeckung eines großen Temperaturbereichs der Temperatur der NiedertemperaturWärmequelle und der Kondensationstemperatur
This means that the new technical solution should have the following properties:
  • the pV characteristic of the device corresponds to the pV evaporation characteristic of the working medium
  • A large volume expansion ratio
  • A large pressure-related expansion ratio
  • Low gap losses on technically required sealing surfaces
  • Avoiding sudden flash evaporation and the resulting droplet erosion
  • Minimization of the pumping power required to generate the working pressure
  • Easy adaptation to changes in thermal environmental parameters such as the temperature of the heat source or the condensation temperature
  • Covering a wide temperature range of low temperature heat source temperature and condensation temperature

Erläuterung des LösungsansatzesExplanation of the solution approach

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß wie in den Ansprüchen definiert gelöst durch eine Energiewandlungsvorrichtung sowie ein Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie in potentielle Energie sowie eine Vorrichtung und Verfahren mit einer zweimaligen Energiewandlung:

  • Erste Wandlung: Umwandlung der thermischen Energie eines Arbeitsmittels in potentielle Energie des Arbeitsmittels durch Anheben des Arbeitsmittels von einem unteren Niveau auf ein oberes Niveau unter Realisierung einer Entspannungsverdampfung nach dem TLC-Prozess
  • Zweite Wandlung: Umwandlung der potentiellen Energie des Arbeitsmittels in technisch nutzbare Energie durch Rückführung des Arbeitsmittels vom oberen auf das untere Niveau und Umwandlung des statischen Druckes des Arbeitsmittels in mechanische Energie, z.B. in einem Hydraulikmotor / -turbine
The object is achieved according to the invention as defined in the claims by an energy conversion device and a method for converting thermal energy into potential energy as well as a device and method with two-fold energy conversion:
  • First conversion: conversion of the thermal energy of a working fluid into potential energy of the working fluid by raising the working fluid from a lower level to an upper level while realizing flash evaporation according to the TLC process
  • Second conversion: Conversion of the potential energy of the work fluid into technically usable energy by returning the work fluid from the upper to the lower level and converting the static pressure of the work fluid into mechanical energy, e.g. in a hydraulic motor/turbine

Neu sind:New are:

  • Die erste Energiewandlungsvorrichtung und das Verfahren zur Wandlung von thermischer Energie in potentielle Energie unter Realisierung einer Entspannungsverdampfung nach dem TLC-ProzessThe first energy conversion device and the method for converting thermal energy into potential energy realizing flash evaporation according to the TLC process
  • Die Vorrichtung und das Verfahren der zweimaligen Wandlung unter Verwendung der neuartigen ersten EnergiewandlungsvorrichtungThe device and method of double conversion using the novel first energy conversion device

Zur besseren Unterscheidbarkeit wird die erste Energiewandlungsvorrichtung nachfolgend "Erster Energiewandler" genannt.For better differentiation, the first energy conversion device is hereinafter referred to as “ first energy converter” .

Die Vorrichtung mit zweimaliger Energiewandlung wird nachfolgend als "Gesamtsystem" bezeichnet Der im Gesamtsystem realisierte thermodynamische Prozess mit zweimaliger Energiewandlung wird aufgrund seiner Ähnlichkeit zum bekannten TLC-Prozess und zur besseren Unterscheidung zum Stand der Technik nachfolgend als "TLC2-Prozess" bezeichnet.The device with double energy conversion is hereinafter referred to as the “ overall system .” The thermodynamic process with double energy conversion implemented in the overall system is hereinafter referred to as the “ TLC2 process ” due to its similarity to the known TLC process and for better differentiation from the prior art.

Die in Fig.1 benutzten Bezugszeichen des TLC-Prozesses werden beim TLC2-Prozess identisch verwendet.In the Fig.1 The reference symbols used in the TLC process are used identically in the TLC2 process.

Gesamtsystem mit zweimaliger EnergiewandlungComplete system with double energy conversion

Kernkomponente des Gesamtsystems 11 nach Fig. 4 ist der erste Energiewandler 21.Core component of the overall system 11 Fig. 4 is the first energy converter 21.

In Fig. 3 sind die thermodynamischen Details des TLC2-Prozesses für das Gesamtsystem 11 sowie das dazugehörige T-S und p-V-Diagramm dargestellt.In Fig. 3 the thermodynamic details of the TLC2 process for the entire system 11 as well as the associated TS and pV diagram are shown.

Das am Punkt 2 unter Druck stehende Arbeitsmittel wird in einem Wärmetauscher 31 durch extern zugeführte thermische Energie erwärmt und dem ersten Energiewandler 21 zugeführt.The working medium under pressure at point 2 is heated in a heat exchanger 31 by externally supplied thermal energy and fed to the first energy converter 21.

Im ersten Energiewandler 21 zur Wandlung thermischer Energie in potentielle Energie wird der Schritt der Entspannungsverdampfung (siehe Fig.3, T-S-Diagramm) vom Arbeitspunkt 3 mit der maximalen Temperatur bis zum Arbeitspunkt 5 mit der minimalen Temperatur vollständig durchlaufen. Dadurch wird ein Maximum beim exergetischen Wirkungsgrad erreicht.In the first energy converter 21 for converting thermal energy into potential energy, the step of flash evaporation (see Fig.3 , TS diagram) from working point 3 with the maximum temperature to working point 5 with the minimum temperature. This achieves a maximum in exergetic efficiency.

Das durch den ersten Energiewandler 21 angehobene und teilweise verdampfte Arbeitsmittel wird nach Austritt aus dem ersten Energiewandler 21 aufgefangen, der Arbeitsmitteldampf 54 kondensiert, zusammen mit dem flüssig gebliebenen Arbeitsmittel 51 gesammelt und unter Verrichtung von mechanischer Arbeit in einem zweiten Energiewandler 34 wieder zum unteren Niveau zurückgeführt. Abweichend zum ursprünglichen TLC-Prozess nach Fig. 1 gibt es beim TLC2-Prozess zwischen den thermodynamischen Punkten 1 und 2 einen weiteren Punkt 7, an dem das kalte Arbeitsmittel 51 einen höheren Druck aufweist, als nach dem TLC2-Prozess am Punkt 2 erforderlich ist.The working medium raised and partially evaporated by the first energy converter 21 is collected after exiting the first energy converter 21, the working medium vapor 54 condenses, collected together with the working medium 51 that remains liquid and returned to the lower level while performing mechanical work in a second energy converter 34 . Deviating from the original TLC process Fig. 1 In the TLC2 process, there is another point 7 between the thermodynamic points 1 and 2, at which the cold working fluid 51 has a higher pressure than is required at point 2 after the TLC2 process.

Diese Druckdifferenz zwischen den Punkten 7 und 2 des TLC2-Prozesses wird im zweiten Energiewandler 34 in technisch nutzbare Energie umgesetzt. Gleichzeitig entfällt damit die nach dem Stand der Technik erforderliche Pumpe zur Erzeugung des notwendigen Arbeitsdruckes.This pressure difference between points 7 and 2 of the TLC2 process is converted into technically usable energy in the second energy converter 34. At the same time, the pump required according to the state of the art to generate the necessary working pressure is no longer required.

Das Produkt aus Druckdifferenz und Volumen des Arbeitsmittels entspricht der im ersten Energiewandler 21 in potentielle Energie gewandelten thermischen Energie.The product of the pressure difference and the volume of the working medium corresponds to the thermal energy converted into potential energy in the first energy converter 21.

Der erste EnergiewandlerThe first energy converter

Die physikalische und technische Grundlage für den ersten Energiewandler 21 (siehe Fig. 5a) sind jeweils durch zwei Kolben 170 begrenzte und mit warmem Arbeitsmittel AM gefüllte Arbeitsbereiche AB.The physical and technical basis for the first energy converter 21 (see FIG. 5a) are work areas AB delimited by two pistons 170 and filled with warm working fluid AM.

Eine Vielzahl dieser durch Kolben 170 getrennter Arbeitsbereiche sind übereinander in einem aufwärts gerichtetem Rohr angeordnet (siehe Fig. 5b).A plurality of these work areas, separated by pistons 170, are arranged one above the other in an upwardly directed tube (see FIG. 5b).

Jeder Arbeitsbereich steht dabei unter einem lokalen Arbeitsdruck pA, der durch die im Rohr über dem jeweiligen Arbeitsbereich befindlichen weiteren Arbeitsbereiche erzeugt wird.Each work area is under a local working pressure pA, which is generated by the other work areas located in the pipe above the respective work area.

Entsprechend der Anzahl der oberhalb eines einzelnen Arbeitsbereiches befindlichen weiteren Arbeitsbereiche und dem dadurch in einem einzelnen Arbeitsbereich herrschenden lokalen Arbeitsdruck pA ist das Arbeitsmittel AM in einer Entspannungsverdampfung bei gleichzeitiger Volumenvergrößerung teilweise verdampft und hat sich durch die Entspannungsverdampfung abgekühlt (siehe Fig. 5b).Depending on the number of additional work areas located above a single work area and the local working pressure pA prevailing in an individual work area, the working medium AM has partially evaporated in a flash evaporation with a simultaneous increase in volume and has cooled down as a result of the flash evaporation (see Fig. 5b).

Durch die Volumenvergrößerung werden alle darüber befindlichen Arbeitsbereiche angehoben.By increasing the volume, all work areas above are raised.

Durch Zuführung neuer Arbeitsbereiche (siehe Fig. 5b) auf dem unteren Niveau des aufwärts gerichteten Rohres werden die darüber befindlichen Arbeitsbereiche soweit angehoben, das der oberste Arbeitsbereich auf dem oberen Niveau aus dem aufwärts gerichtetem Rohr austritt. Das verringert den lokalen Arbeitsdruck pA für alle nachfolgenden Arbeitsbereiche.By adding new work areas (see Fig. 5b) at the lower level of the upward pipe, the work areas above are raised to such an extent that the top work area at the upper level emerges from the upward pipe. This reduces the local working pressure pA for all subsequent work areas.

Diese Druckverringerung führt bei allen Arbeitsbereichen im Rohr zu kleinen Entspannungsverdampfungen und damit kleinen Volumenvergrößerungen jedes einzelnen Arbeitsbereichs und folglich einem Anheben aller darüber befindlichen Arbeitsbereiche.This pressure reduction leads to small expansion evaporations in all work areas in the pipe and thus small volume increases in each individual work area and consequently a lifting of all work areas above.

Die Summe dieser vielen kleinen Volumenvergrößerungen ergibt eine große Volumenvergrößerung, die den obersten Arbeitsbereich stark anhebt (siehe Fig.5b - resultierende Wegänderung) und - nach Zuführung eines neuen Arbeitsbereiches auf dem unteren Niveau - auf dem oberen Niveau austreten lässt.The sum of these many small volume increases results in a large volume increase, which raises the top work area significantly (see Fig.5b - resulting path change) and - after adding a new work area at the lower level - allows it to emerge at the upper level.

Damit dieser Vorgang sich kontinuierlich wiederholt, werden auf dem unteren Niveau ständig neue Arbeitsbereiche mit warmem Arbeitsmittel unter einem Dosierdruck pD zugeführt.To ensure that this process is repeated continuously, new work areas are constantly supplied with warm working fluid at the lower level at a metering pressure pD.

Weiterentwicklung des ersten EnergiewandlersFurther development of the first energy converter

Das in Fig.5 skizzierte Prinzip des ersten Energiewandlers erfordert eine um so größere Höhe des aufwärts gerichteten Rohres - zum Aufbau des mit der Temperatur steigenden maximalen Arbeitsdrucks pA - je größer die Temperaturdifferenz zwischen der Niedertemperaturwärmequelle und der Dampfverflüssigungstemperatur (gegeben durch die Temperatur der Wärmesenke) ist.This in Fig.5 The principle of the first energy converter outlined requires a greater height of the upward pipe - to build up the maximum working pressure pA, which increases with the temperature - the greater the temperature difference between the low-temperature heat source and the steam liquefaction temperature (given by the temperature of the heat sink).

Es können dadurch Höhen von mehreren hundert Meter bis über 1000 Meter erforderlich werden. Dies kann gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung des ersten Energiewandlers (siehe Fig. 6a-b) dadurch vermieden werden, das zwischen zwei Arbeitsbereiche AB ein zusätzlicher Gewichtsbereich GB gefüllt mit einem Gewichtsmedium 60 eingefügt wird (siehe Fig. 6a).This may require heights of several hundred meters to over 1000 meters. According to an advantageous further development of the first energy converter (see FIGS. 6a-b), this can be avoided by inserting an additional weight area GB filled with a weight medium 60 between two working areas AB (see FIG. 6a).

Das Gewichtsmedium ist im Gegensatz zum Arbeitsmittel nicht durch die Wärmequelle erwärmt. Hinsichtlich ihrer Zusammensetzung können - aber müssen nicht - Arbeitsmittel und Gewichtsmedium identisch sein, d.h. als Gewichtsmedium wird nicht erwärmtes Arbeitsmittel eingesetzt.In contrast to the working medium, the weight medium is not heated by the heat source. In terms of their composition, the working medium and the weight medium can - but do not have to - be identical, i.e. non-heated work medium is used as the weight medium.

Das Gewichtsmedium bewirkt - bei ansonsten gleichen Abläufen wie zu Fig 5 beschrieben - durch sein Eigengewicht eine Erhöhung des Arbeitsdruckes auf jeden im aufwärts gerichteten Rohr befindlichen Arbeitsbereich AB. Damit ist es möglich - wie später gezeigt wird - die erforderliche Höhe des aufwärts führenden Rohres zum Aufbau des Arbeitsdruckes pA deutlich zu reduzieren.The weight medium has the effect - with otherwise the same processes as before Fig 5 described - due to its own weight, an increase in the working pressure on each working area AB located in the upward pipe. This makes it possible - as will be shown later - to significantly reduce the height of the upward pipe required to build up the working pressure pA.

Der in Fig. 7 dargestellte Aufbau des Gesamtsystems 12 mit einem weiterentwickelten ersten Energiewandler 22 ist weitestgehend identisch mit dem Gesamtsystem 11 nach Fig. 4.The in Fig. 7 The structure of the overall system 12 shown with a further developed first energy converter 22 is largely identical to the overall system 11 Fig. 4 .

Neu ist die Zuführung von Gewichtsmedium zum weiterentwickelten ersten Energiewandler 22.What is new is the supply of weight medium to the further developed first energy converter 22.

Die thermodynamischen Abläufe des TLC2-Prozesses nach Fig. 3 gelten auch für das Gesamtsystem 12 mit dem weiterentwickelten ersten Energiewandler 22.The thermodynamic processes of the TLC2 process Fig. 3 also apply to the entire system 12 with the further developed first energy converter 22.

Die durch die geringere Höhe des Gesamtsystems 12 verringerte Druckdifferenz zwischen den Punkten 7 und 2 wird für den zweiten Energiewandler durch ein größeres Volumen aus Arbeitsmittel und Gewichtsmedium kompensiert (siehe Fig.7, p-V-Diagramm).The reduced pressure difference between points 7 and 2 due to the lower height of the overall system 12 is compensated for by a larger volume of working fluid and weight medium for the second energy converter (see Fig.7 , pV diagram).

Durch Variation der Menge des Arbeitsmittels bzw. des Gewichtsmediums wird eine leichte Regelung des Gesamtsystems möglich. Von besonderem Vorteil ist, dass der weiterentwickelte erste Energiewandler auch in einer Betriebsart ohne Gewichtsmedium betrieben werden kann und damit der nutzbare Temperaturbereich hin zu niedrigeren Temperaturen und Temperaturdifferenzen ausgedehnt wird.By varying the amount of work equipment or weight medium, the entire system can be easily regulated. It is particularly advantageous that the further developed first energy converter can also be operated in an operating mode without a weight medium, thus extending the usable temperature range to lower temperatures and temperature differences.

Leistungserhöhung durch ParallelisierungIncreased performance through parallelization

Das Prinzip und die einfache Technik des ersten Energiewandlers und des weiterentwickelten ersten Energiewandlers zur Wandlung thermischer Energie in potentielle Energie erlaubt es, beliebig viele aufwärts führende Rohre zur Energiewandlung parallel zu bauen (siehe Fig.8).The principle and the simple technology of the first energy converter and the further developed first energy converter for converting thermal energy into potential energy allow any number of upward pipes to be built in parallel for energy conversion (see Fig.8 ).

Dies hat den Vorteil, dass auch bei niedrigen Temperaturdifferenzen zwischen der Niedertemperaturquelle und der Dampfverflüssigungstemperatur und dem damit verbundenem kleinen Wirkungsgrad trotzdem große Wärmemengen umgesetzt und daraus technisch nutzbare Energie gewonnen werden kann.This has the advantage that even with low temperature differences between the low-temperature source and the steam liquefaction temperature and the associated low efficiency, large amounts of heat can still be converted and technically usable energy can be obtained from it.

Mit einer Parallelisierung sind Leistungen bis weit in den Megawattbereich erzielbar.With parallelization, outputs well into the megawatt range can be achieved.

Mit der Nutzung des erfindungsgemäßen ersten Energiewandlers, des weiterentwickelten erfindungsgemäßen ersten Energiewandlers sowie der Parallelisierung des ersten und des weiterentwickelten ersten Energiewandlers:

  • Erfolgt durch das Prinzip der frei beweglichen Kolben eine selbsttätige Anpassung der p-V-Kennlinie der ersten Energiewandler an die p-V-Verdampfungskennlinie des Arbeitsmittels
  • Ist eine stufenlose Volumenvergrößerung von mehr als 1:100 möglich (Ausgangsvolumen des flüssigen warmen Arbeitsmittels zu Endvolumen des teilverdampften gasförmigen/flüssigen kalten Arbeitsmittels)
  • ist eine stufenlose Druckentspannung von mehr als 1:10 möglich
    (maximaler Arbeitsdruck auf dem unteren Niveau zu minimalem Arbeitsdruck auf dem oberen Niveau)
  • Wird durch einen sehr langsamen Druckabbau von mehreren Sekunden bis Minuten (Zeit zwischen Beginn und Ende der Entspannungsverdampfung des Arbeitsmittels) eine explosionsartige Verdampfung des Arbeitsmittels und nachfolgende Tröpfchenerosion, die zu Bauteilzerstörungen führen kann, vermieden
  • Werden durch geringe Druckunterschiede von weit weniger als 0,001 MPa (0,01 bar) zwischen der Kolbenoberseite und der Kolbenunterseite die technischen Anforderungen an die Kolbendichtungen deutlich gesenkt und Spaltverluste weitestgehend reduziert
  • Sind durch mehrere parallel arbeitende erste Energiewandler Leistungen bis weit in den Megawatt-Bereich möglich
  • Ist durch Änderung der zugeführten Mengen des Arbeitsmittels, des Gewichtsmediums oder der Betriebsweise im weiterentwickelten ersten Energiewandler eine einfache Anpassung des TLC2-Prozesses an Veränderungen der externen Temperatur der Niedertemperaturwärmequelle und/oder der Temperatur der Dampfverflüssigung möglich
  • können bereits geringe Temperaturdifferenzen von 10°K zur Energiegewinnung ausgenutzt werden
  • ist ein flexibler Tag/Nacht-Betrieb sowie ein flexibler Sommer/Winter-Betrieb mit Anpassung an die sich verändernden Temperaturen der Niedertemperaturwärmequelle oder der Dampfverflüssigungstemperatur möglich
With the use of the first energy converter according to the invention, the further developed first energy converter according to the invention and the parallelization of the first and the further developed first energy converter:
  • The principle of freely movable pistons automatically adapts the pV characteristic curve of the first energy converter to the pV evaporation characteristic curve of the working medium
  • Is a continuous volume increase of more than 1:100 possible (initial volume of the liquid warm working fluid to final volume of the partially vaporized gaseous/liquid cold working fluid)
  • A continuous pressure relief of more than 1:10 is possible
    (maximum working pressure at the lower level to minimum working pressure at the upper level)
  • A very slow pressure reduction of several seconds to minutes (time between the start and end of the flash evaporation of the working fluid) avoids explosive evaporation of the working fluid and subsequent droplet erosion, which can lead to component destruction
  • Through small pressure differences of far less than 0.001 MPa (0.01 bar) between the top of the piston and the bottom of the piston, the technical requirements for the piston seals are significantly reduced and gap losses are largely reduced
  • With several first energy converters working in parallel, outputs well into the megawatt range are possible
  • Is it possible to easily adapt the TLC2 process to changes in the external temperature of the low-temperature heat source and/or the temperature of the steam liquefaction by changing the supplied quantities of the working medium, the weight medium or the operating mode in the further developed first energy converter
  • Even small temperature differences of 10°K can be used to generate energy
  • Flexible day/night operation and flexible summer/winter operation are possible with adaptation to the changing temperatures of the low-temperature heat source or the steam liquefaction temperature

Die Vorteile des erfindungsgemäßen zweistufigen Verfahrens zur Wandlung von thermischer Energie nach dem TLC2-Prozess in technisch nutzbare Energie sind:

  • die thermodynamisch anspruchsvollen Vorgänge der Wandlung der thermischen Energie nach dem TLC-Prozess in eine andere Energieform werden von der Wandlung in technisch nutzbare mechanische Energie entkoppelt (vergleichbar der Trennung von Dampferzeugung und Turbine in klassischen Wärmekraftwerken)
  • die technische Komplexität einer Vorrichtung zur Umwandlung thermischer Energie in technisch nutzbare Energie wird im Vergleich zum Stand der Technik deutlich reduziert, da jeder der beiden Energiewandler für seine jeweilige Aufgabe optimiert werden kann
  • Der zu Prozessbeginn erforderliche Arbeitsdruck für das Arbeitsmittel und ggf. des Gewichtsmediums wird verfahrens- und vorrichtungsintern ohne die nach dem Stand der Technik erforderliche Druckpumpe erzeugt
  • dies senkt die technisch bedingten Verluste, erhöht den technischen Wirkungsgrad des Gesamtsystems und bringt ökonomische Vorteile
The advantages of the two-stage process according to the invention for converting thermal energy into technically usable energy using the TLC2 process are:
  • The thermodynamically demanding processes of converting thermal energy into another form of energy after the TLC process are decoupled from the conversion into technically usable mechanical energy (comparable to the separation of steam generation and turbine in classic thermal power plants)
  • The technical complexity of a device for converting thermal energy into technically usable energy is significantly reduced compared to the prior art, since each of the two energy converters can be optimized for its respective task
  • The working pressure required at the start of the process for the working medium and, if applicable, the weight medium is generated within the process and device without the pressure pump required according to the prior art
  • This reduces technical losses, increases the technical efficiency of the entire system and brings economic advantages

Auflistung der AbbildungenList of illustrations

Fig. 1 -Fig. 1 -
Thermodynamik des TLC-Prozesses nach dem Stand der TechnikThermodynamics of the TLC process according to the state of the art
Fig. 2 -Fig. 2 -
Prinzipaufbau eines Systems zur Nutzung des TLC-Prozesses nach dem Stand der TechnikPrinciple structure of a system for using the TLC process according to the state of the art
Fig. 3 -Fig. 3 -
Thermodynamik des geänderten TLC2-GesamtprozessesThermodynamics of the modified TLC2 overall process
Fig. 4 -Fig. 4 -
Darstellung Gesamtsystem 11 nach dem TLC2-ProzessRepresentation of the entire system 11 according to the TLC2 process
Fig. 5 -Fig. 5 -
Funktionsprinzip erster EnergiewandlerFunctional principle of the first energy converter
Fig. 6 -Fig. 6 -
Funktionsprinzip weiterentwickelter erster EnergiewandlerFunctional principle of further developed first energy converter
Fig. 7 -Fig. 7 -
Darstellung Gesamtsystem 12 nach dem TLC2-ProzessRepresentation of the entire system 12 according to the TLC2 process
Fig. 8 -Fig. 8 -
Darstellung Gesamtsystem 11 mit mehreren parallelen ersten Energiewandlern 21Representation of the entire system 11 with several parallel first energy converters 21
Fig. 9 -Fig. 9 -
Thermodynamik des modifizierten M-TLC2-ProzessesThermodynamics of the modified M-TLC2 process
Fig. 10 -Fig. 10 -
Darstellung Gesamtsystem 13 nach dem M-TLC2-ProzessRepresentation of the entire system 13 according to the M-TLC2 process
Fig. 11 -Fig. 11 -
Darstellung Gesamtsystem 14 nach dem M-TLC2-ProzessRepresentation of the entire system 14 according to the M-TLC2 process
Fig. 12 -Fig. 12 -
Darstellung Aufbau und Funktion erster Energiewandler 21Representation of the structure and function of the first energy converters 21
Fig. 13 -Fig. 13 -
Darstellung Aufbau und Funktion weiterentwickelter erster Energiewandler 22Representation of the structure and function of the further developed first energy converter 22
Fig. 14 -Fig. 14 -
Darstellung der Variation möglicher Betriebszustände der ersten Energiewandler 21 und 22 im T-S-DiagrammRepresentation of the variation of possible operating states of the first energy converters 21 and 22 in the T-S diagram
Fig. 15 -Fig. 15 -
Darstellung möglicher Gestaltungsvarianten des Rohrsystems der ersten Energiewandler 21 und 22 auf dem unteren bzw. oberen NiveauRepresentation of possible design variants of the pipe system of the first energy converters 21 and 22 on the lower and upper levels
Auflistung der verwendeten Bezugszeichen und AbkürzungenList of reference symbols and abbreviations used BezugszeichenReference symbols

  • AB - ArbeitsbereichAB - work area
  • AM - ArbeitsmittelAM - work equipment
  • GB - GewichtsbereichGB - weight range
  • GM - GewichtsmediumGM - weight medium
  • H - Fallhöhe ArbeitsmittelH - fall height of work equipment
  • pA - ArbeitsdruckpA - working pressure
  • pD - DosierdruckpD - dosing pressure
  • pK - KolbendruckpK - piston pressure
Ziffern 1 - 7 --- Prozesstechnische PunkteNumbers 1 - 7 --- Process technical points

  • Punkte bestimmter thermodynamischer und technischer Zustände in T-S und p-V DiagrammenPoints of certain thermodynamic and technical states in T-S and p-V diagrams
Ziffern 10 - 99 --- GesamtsystemDigits 10 - 99 --- Overall system

  • 11 - Gesamtsystem zur Wandlung von Wärmeenergie in technisch nutzbare Energie11 - Complete system for converting thermal energy into technically usable energy
  • 12 - Weiterentwickeltes Gesamtsystem zur Wandlung von Wärmeenergie in technisch nutzbare Energie12 - Further developed overall system for converting thermal energy into technically usable energy
  • 21 - Erster Energiewandler zur Wandlung von Wärmeenergie in potenzielle Energie21 - First energy converter to convert thermal energy into potential energy
  • 22 - Weiterentwickelter erster Energiewandler zur Wandlung von Wärmeenergie in potentielle Energie22 - Further developed first energy converter for converting thermal energy into potential energy
  • 31 - Wärmetauscher Niedertemperaturwärmequelle31 - Heat exchanger low temperature heat source
  • 32 - Dampfverflüssigungsvorrichtung32 - vapor liquefaction device
  • 33 - Sammel- und Pufferbehälter33 - Collection and buffer container
  • 34 - Zweiter Energiewandler, potentielle in technisch nutzbare Energie34 - Second energy converter, potential energy into technically usable energy
  • 40 - Zuführungen, allgemein40 - Feeders, general
  • 41 - Zuführung Gewichtsmedium41 - Feed weight medium
  • 42 - Zuführungen zum Druckaufbau42 - Feeds for pressure build-up
  • 51 - Arbeitsmittel, flüssig, kalt51 - Working fluid, liquid, cold
  • 52 - Arbeitsmittel, flüssig, warm52 - Working fluid, liquid, warm
  • 53 - Arbeitsmittel, dampfförmig, warm53 - Working fluid, vaporous, warm
  • 54 - Arbeitsmittel, dampfförmig, kalt54 - Working fluid, vaporous, cold
  • 60 - Gewichtsmedium (z.B. als flüssiges kaltes Arbeitsmittel)60 - weight medium (e.g. as a liquid cold working medium)
Ziffern 100 - 199 --- Erster und weiterentwickelter erster EnergiewandlerNumbers 100 - 199 --- First and further developed first energy converter

  • 110 - Rohrbogen, unteres Niveau110 - pipe bend, lower level
  • 120 - Einbringvorrichtung120 - insertion device
  • 121 - Einbringvorrichtung, nur Arbeitsmittel121 - Insertion device, work equipment only
  • 122 - Einbringvorrichtung, Arbeitsmittel und Gewichtsmedium122 - Introduction device, working equipment and weight medium
  • 125 - Kolben-Stoppvorrichtung125 - piston stop device
  • 126 - Dosiervorrichtung126 - dosing device
  • 130 - Aufstiegsrohr130 - rise pipe
  • 140 - Rohrbogen, oberes Niveau140 - Pipe elbow, upper level
  • 150 - Separierungsvorrichtung150 - Separation device
  • 160 - Abstiegsrohr160 - descent pipe
  • 170 - Kolben170 - piston
  • 171 - Kolbenstapel171 - piston stack
Detaillierte Beschreibung des Verfahrens und der Gesamtsysteme zur Wandlung von thermischer Energie in technisch nutzbare EnergieDetailed description of the process and the overall systems for converting thermal energy into technically usable energy

Die nachfolgende Beschreibung stellt die Arbeitsweise des Gesamtsystems 11 (Fig.4) und des weiterentwickelten Gesamtsystems 12 (Fig.7) gemeinsam dar.The following description presents the operation of the entire system 11 ( Fig.4 ) and the further developed overall system 12 ( Fig.7 ) together.

Auf Unterschiede wird im Text eingegangen. Die Beschreibung der thermodynamischen Schritte folgt dabei dem Verlauf des TLC2-Prozesses nach Fig.3.Differences are discussed in the text. The description of the thermodynamic steps follows the course of the TLC2 process Fig.3 .

Zum besseren Verständnis sind in den Figuren 4 und 7 das T-S-Diagramm und das p-V-Diagramm des jeweiligen Gesamtprozesses dargestellt. Die schraffierte Fläche im p-V-Diagramm entspricht dabei der in technisch nutzbare Arbeit umgesetzten thermischen Energie und ist für beide Vorrichtungen bei gleichen Eingangsparametern gleich groß.For better understanding are in the Figures 4 and 7 the TS diagram and the pV diagram of the respective overall process are shown. The hatched area in the pV diagram corresponds to the thermal energy converted into technically usable work and is the same size for both devices with the same input parameters.

Das erfindungsgemäße Gesamtsystem 11 (Fig.4) zur Wandlung von thermischer Energie in technisch nutzbare Energie umfasst zumindest folgende Bestandteile:

  • Einen Wärmetauscher 31 zur Übertragung der thermischen Energie einer Niedertemperaturwärmequelle an ein unter Druck stehendes flüssiges Arbeitsmittel 51 ohne Verdampfung des Arbeitsmittels
  • Thermisch isolierte Zuführungen 40, um das erwärmte Arbeitsmittel 52 einem ersten Energiewandler 21 zuzuführen
  • Mindestens ein erfindungsgemäßer erster Energiewandler 21 zur Umwandlung der thermischen Energie des Arbeitsmittels 52 unter Realisierung der Entspannungsverdampfung nach dem TLC2-Prozess in potentielle Energie
  • Zuführungen 40, um den entstandenen Arbeitsmitteldampf 54 einer Dampfverflüssigungsvorrichtung 32 zuzuführen
  • Eine Dampfverflüssigungsvorrichtung 32 zur Verflüssigung des verdampften Arbeitsmittels 54
  • Zuführungen 40, um das im ersten Energiewandler 21 flüssig gebliebene Arbeitsmittel 51 und das in der Dampfverflüssigungsvorrichtung 32 wieder verflüssigte Arbeitsmittel einem Sammelbehälter 33 zuzuführen
  • Ein Sammel- und Pufferbehälter 33 zur Zusammenführung des flüssig gebliebenen und des in der Dampfverflüssigungsvorrichtung 32 verflüssigten Arbeitsmittels
  • Zuführungen 42, um das flüssige, kalte Arbeitsmittel 51 unter Druckaufbau vom Sammelbehälter 33 einem zweiten Energiewandler 34 zuzuführen
  • Mindestens einen zweiten Energiewandler 34 zur Umwandlung der potentiellen Energie des Arbeitsmittels 51 in technisch nutzbare Energie
  • Zuführungen 40, um das noch unter Dosierdruck pD stehende Arbeitsmittel 51 vom zweiten Energiewandler 34 wieder dem Wärmetauscher 31 zuzuführen
The overall system 11 according to the invention ( Fig.4 ) for converting thermal energy into technically usable energy includes at least the following components:
  • A heat exchanger 31 for transferring the thermal energy of a low-temperature heat source to a pressurized liquid working fluid 51 without evaporation of the working fluid
  • Thermally insulated feeds 40 to supply the heated working fluid 52 to a first energy converter 21
  • At least one first energy converter 21 according to the invention for converting the thermal energy of the working medium 52 into potential energy while realizing flash evaporation after the TLC2 process
  • Feeds 40 to supply the resulting working fluid vapor 54 to a vapor liquefaction device 32
  • A vapor liquefaction device 32 for liquefying the evaporated working fluid 54
  • Feeds 40 in order to feed the working fluid 51 that remained liquid in the first energy converter 21 and the working fluid that was liquefied again in the steam liquefaction device 32 to a collecting container 33
  • A collecting and buffer container 33 for bringing together the working fluid that has remained liquid and the working fluid that has been liquefied in the vapor liquefaction device 32
  • Feeds 42 in order to supply the liquid, cold working fluid 51 from the collecting container 33 to a second energy converter 34 while building up pressure
  • At least one second energy converter 34 for converting the potential energy of the working medium 51 into technically usable energy
  • Feeds 40 in order to supply the working medium 51, which is still under metering pressure pD, from the second energy converter 34 back to the heat exchanger 31

Das erfindungsgemäße weiterentwickelte Gesamtsystem 12 (Fig.7) umfasst zumindest folgende Bestandteile:

  • Einen Wärmetauscher 31 zur Übertragung der thermischen Energie einer Niedertemperaturwärmequelle an ein unter Druck stehendes flüssiges Arbeitsmittel 51 ohne Verdampfung des Arbeitsmittels
  • Thermisch isolierte Zuführungen 40, um das erwärmte Arbeitsmittel 52 einem weiterentwickelten ersten Energiewandler 22 zuzuführen
  • Mindestens ein erfindungsgemäß weiterentwickelter erster Energiewandler 22 zur Umwandlung der thermischen Energie des Arbeitsmittels 52 unter Realisierung der Entspannungsverdampfung nach dem TLC2-Prozess in potentielle Energie
  • Zuführungen 40, um den entstandenen Arbeitsmitteldampf 54 einer Dampfverflüssigungsvorrichtung 32 zuzuführen
  • Eine Dampfverflüssigungsvorrichtung 32 zur Verflüssigung des verdampften Arbeitsmittels 54
  • Zuführungen 40, um das im ersten Energiewandler 22 flüssig gebliebene Arbeitsmittel 51, das Gewichtsmedium 60 und das in der Dampfverflüssigungsvorrichtung 32 wieder verflüssigte Arbeitsmittel 51 einem Sammelbehälter zuzuführen
  • Ein Sammel- und Pufferbehälter 33 zur Zusammenführung des flüssig gebliebenen, des in der Dampfverflüssigungsvorrichtung 32 verflüssigten Arbeitsmittels sowie des Gewichtsmediums
  • Zuführungen 42, um das flüssige, kalte Arbeitsmittel unter Druckaufbau vom Sammelbehälter einem zweiten Energiewandler 34 zuzuführen
  • Einen zweiten Energiewandler 34 zur Umwandlung der potentiellen Energie des Arbeitsmittels 51 in technisch nutzbare Energie
  • Zuführungen 40, um das noch unter Dosierdruck stehende Arbeitsmittel 51 vom zweiten Energiewandler 34 wieder dem Wärmetauscher 31 zuzuführen
  • Zuführungen 41 zur Zuführung von unter Dosierdruck stehendem kalten Arbeitsmittel 51 als Gewichtsmedium 60 zum ersten Energiewandler 22
The further developed overall system 12 according to the invention ( Fig.7 ) includes at least the following components:
  • A heat exchanger 31 for transferring the thermal energy of a low-temperature heat source to a pressurized liquid working fluid 51 without evaporation of the working fluid
  • Thermally insulated feeds 40 to supply the heated working fluid 52 to a further developed first energy converter 22
  • At least one first energy converter 22 further developed according to the invention for converting the thermal energy of the working medium 52 into potential energy while realizing flash evaporation according to the TLC2 process
  • Feeds 40 to supply the resulting working fluid vapor 54 to a vapor liquefaction device 32
  • A vapor liquefaction device 32 for liquefying the evaporated working fluid 54
  • Feeds 40 in order to feed the working medium 51 that remained liquid in the first energy converter 22, the weight medium 60 and the working medium 51 that was liquefied again in the steam liquefaction device 32 to a collecting container
  • A collecting and buffer container 33 for bringing together the working medium that has remained liquid, the working medium that has been liquefied in the steam liquefaction device 32, and the weight medium
  • Feeds 42 in order to supply the liquid, cold working fluid from the collecting container to a second energy converter 34 while building up pressure
  • A second energy converter 34 for converting the potential energy of the working medium 51 into technically usable energy
  • Feeds 40 in order to feed the working fluid 51, which is still under metering pressure, from the second energy converter 34 back to the heat exchanger 31
  • Feeds 41 for supplying cold working medium 51 under metering pressure as a weight medium 60 to the first energy converter 22

Nicht in den Abbildungen dargestellt werden verschiedene Hilfs- und Zusatzsysteme, da ihre Position und Funktion vielfältig gelöst werden kann. Hilfs- und Zusatzsysteme können z.B. sein:

  • Absaugvorrichtungen für nicht kondensierbare Gase
  • ggf. Trennvorrichtungen für die Trennung von Arbeitsmittel und Gewichtsmedium
  • Filtersysteme zur Reinigung des Arbeitsmittels von Fremdstoffen (z.B. Abrieb)
  • Meßsensoren und Prozess-Steuerungs- und Regeltechnik
  • Wärmespeicher
Various auxiliary and additional systems are not shown in the illustrations, as their position and function can be solved in a variety of ways. Auxiliary and additional systems can be, for example:
  • Extraction devices for non-condensable gases
  • If necessary, separating devices for separating work equipment and weight medium
  • Filter systems for cleaning the working fluid from foreign substances (e.g. abrasion)
  • Measuring sensors and process control and regulation technology
  • Heat storage

In beiden Gesamtsystemen 11 und 12 erfolgt die Umwandlung der thermischen Energie in technisch nutzbare Energie nach dem TLC2-Prozess (siehe Fig. 3) in den Verfahrensschritten:

  • Schritt a: Isobares Erwärmen (Fig.3: Pkt.2 - Pkt.3) des unter Dosierdruck stehenden flüssigen Arbeitsmittels aus einer Niedertemperaturwärmequelle ohne Verdampfung des Arbeitsmittels
  • Schritt b: Isentrope Umwandlung (Fig.3: Pkt.3 - Pkt.5) der aufgenommenen thermischen Energie in einem ersten Energiewandler 21 oder 22 in potentielle Energie
  • Schritt c: Isobares Kondensieren (Fig.3: Pkt.5 - Pkt.1) des verdampften Anteils des Arbeitsmittels
  • Schritt d: Isochore Umwandlung (Fig.3: Pkt.1 - Pkt.7) der potentiellen Energie über die Fallhöhe H in statischen Druck
  • Schritt e: Isochore Umwandlung (Fig.3: Pkt.7 - Pkt.2) eines Teils des statischen Druckes im zweiten Energiewandler 34 in technisch nutzbare mechanische Energie
In both overall systems 11 and 12, the thermal energy is converted into technically usable energy using the TLC2 process (see Fig. 3 ) in the procedural steps:
  • Step a: Isobaric heating ( Fig.3 : Point 2 - Point 3) of the liquid working fluid under metering pressure from a low-temperature heat source without evaporation of the working fluid
  • Step b: Isentropic conversion ( Fig.3 : Point 3 - Point 5) of the thermal energy absorbed in a first energy converter 21 or 22 into potential energy
  • Step c: Isobaric condensation ( Fig.3 : Point 5 - Point 1) of the evaporated portion of the working fluid
  • Step d: Isochoric conversion ( Fig.3 : Point 1 - Point 7) of the potential energy over the head H in static pressure
  • Step e: Isochoric conversion ( Fig.3 : Point 7 - Point 2) part of the static pressure in the second energy converter 34 into technically usable mechanical energy

Thermodynamischer Punkt 2Thermodynamic point 2

Startpunkt des Energieumwandlungsprozesses ist Punkt 2 des TLC2-Prozesses (siehe Fig.3, T-S- und p-V-Diagramm) im unteren Bereich der Gesamtsysteme 11 bzw. 12 (siehe Fig. 4 und 7).The starting point of the energy conversion process is point 2 of the TLC2 process (see Fig.3 , TS and pV diagram) in the lower area of the overall systems 11 and 12 (see Fig. 4 and 7 ).

Das kalte flüssige Arbeitsmittel 51 steht unter Druck und wird durch Zuführungen 40 dem Wärmetauscher 31 zur Aufnahme von thermischer Energie der Niedertemperaturwärmequelle zugeführt und darin erwärmt ohne zu verdampfen.The cold liquid working medium 51 is under pressure and is fed through feeds 40 to the heat exchanger 31 to absorb thermal energy from the low-temperature heat source and is heated therein without evaporating.

Als Niedertemperaturwärmequelle können neben Erdwärme, Meereswärme, Solarwärme, Abwärme aus technischen Prozessen (z.B. Stahl- und Kunststoffindustrie), Wärme aus Kühlprozessen (z-B. Kühlhäuser, Rechenzentren) auch Wärme aus Verbrennungsprozessen (z.B. Reststoffverbrennung, Biogas) oder Restwärme anderer Prozesse (z.B. chemische Industrie) genutzt werden.In addition to geothermal heat, ocean heat, solar heat, waste heat from technical processes (e.g. steel and plastics industries), heat from cooling processes (e.g. cold storages, data centers), heat from combustion processes (e.g. waste incineration, biogas) or residual heat from other processes (e.g. chemical industry) can be used as low-temperature heat sources ) be used.

Als Arbeitsmittel können hierbei, je nach Temperaturniveau und Temperaturdifferenz zwischen der genutzten Niedertemperaturwärmequelle und der verfügbaren Kondensationstemperatur, alle organischen und anorganischen Stoffe sowie Stoffmischungen zur Anwendung kommen, die den Temperaturbereich von der maximalen Temperatur der Niedertemperaturwärmequelle bis zur minimalen Temperatur der Dampfverflüssigung als Flüssigkeit ohne thermische Zersetzung und ohne zu gefrieren abdecken.Depending on the temperature level and the temperature difference between the low-temperature heat source used and the available condensation temperature, all organic and inorganic substances as well as mixtures of substances can be used as working materials that cover the temperature range from the maximum temperature of the low-temperature heat source to the minimum temperature of the vapor liquefaction as a liquid without thermal decomposition and cover without freezing.

Bei der Auswahl des Arbeitsmittels ist zu beachten, dass chemische Reaktionen des Arbeitsmittels mit einzelnen Bestandteilen des Gesamtsystems vermieden werden.When selecting the work equipment, it is important to ensure that chemical reactions between the work equipment and individual components of the overall system are avoided.

Thermodynamischer Punkt 3Thermodynamic point 3

Das aus dem Wärmetauscher 31 austretendende erwärmte Arbeitsmittel 52 fließt anschließend durch thermisch isolierte Zuführungen 40 dem ersten Energiewandler 21 (Fig.4, Gesamtsystem 11) bzw. dem weiterentwickelten ersten Energiewandler 22 (Fig.7, Gesamtsystem 12) zu.The heated working medium 52 emerging from the heat exchanger 31 then flows through thermally insulated feeds 40 to the first energy converter 21 ( Fig.4 , overall system 11) or the further developed first energy converter 22 ( Fig.7 , overall system 12).

Im weiterentwickelten Gesamtsystem 12 (Fig.7) fließt zusätzlich kaltes Arbeitsmittel als Gewichtsmedium 60 durch Zuführungen 41 dem weiterentwickelten ersten Energiewandler 22 zu.In the further developed overall system 12 ( Fig.7 ) additional cold working fluid flows as a weight medium 60 through feeds 41 to the further developed first energy converter 22.

Thermodynamische Punkte 4' und 4"Thermodynamic points 4' and 4"

In dem ersten Energiewandler 21 (Fig.4, Gesamtsystem 11) bzw. dem weiterentwickelten ersten Energiewandler 22 (Fig.7, Gesamtsystem 12) wird die aufgenommene thermische Energie des warmen flüssigen Arbeitsmittels 52 entsprechend dem TLC2-Prozess (siehe Fig.3, Punkte 4' und 4") durch Verrichten von Volumenänderungsarbeit in Form von Hubarbeit in potentielle Energie umgewandelt.In the first energy converter 21 ( Fig.4 , overall system 11) or the further developed first energy converter 22 ( Fig.7 , overall system 12), the thermal energy absorbed by the warm liquid working fluid 52 is corresponding to the TLC2 process (see Fig.3 , points 4' and 4") converted into potential energy by performing volume change work in the form of lifting work.

Das Arbeitsmittel und das Gewichtsmedium (letzteres nur Gesamtsystem 12) werden vom unteren zum oberen Bereich angehoben.The work equipment and the weight medium (the latter only the entire system 12) are raised from the lower to the upper area.

Thermodynamischer Punkt 5Thermodynamic point 5

Im oberen Bereich des ersten Energiewandlers 21 bzw. 22 ist das Arbeitsmittel entsprechend dem TLC2-Prozess (siehe Fig.3: Verlauf Pkt. 4' und 4") teilweise verdampft und insgesamt abgekühlt. Der noch flüssige Anteil des kalten Arbeitsmittels 51 verlässt auf dem oberen Niveau (Punkt 5) in Gesamtsystem 11 (Fig.4) bzw. Gesamtsystem 12 (Fig.7) den ersten Energiewandler 21 bzw. 22 und fließt dem Sammelbehälter 33 zu.In the upper area of the first energy converter 21 or 22, the working equipment is in accordance with the TLC2 process (see Fig.3 : Course points 4' and 4") partially evaporated and cooled overall. The still liquid portion of the cold working fluid 51 leaves at the upper level (point 5) in the overall system 11 ( Fig.4 ) or overall system 12 ( Fig.7 ) the first energy converter 21 or 22 and flows to the collecting container 33.

Im weiterentwickelten Gesamtsystem 12 (Fig.7) fließt das Gewichtsmedium 60 ebenfalls direkt dem Sammelbehälter 33 zu und vergrößert das Volumen des flüssigen kalten Arbeitsmittels 51.In the further developed overall system 12 ( Fig.7 ), the weight medium 60 also flows directly to the collecting container 33 and increases the volume of the liquid cold working medium 51.

Thermodynamischer Punkt 6Thermodynamic point 6

Der verdampfte und abgekühlte Anteil des Arbeitsmittel 54 verlässt in beiden Gesamtsystemen 11 und 12 ebenfalls den ersten Energiewandler 21 bzw. 22, strömt der Dampfverflüssigungseinrichtung 32 zu und wird hier unter Verminderung der Entropie (Punkt 6) wieder verflüssigt. Ggf. entstandene nicht kondensierbare Gase werden hier abgesaugt.The evaporated and cooled portion of the working fluid 54 also leaves the first energy converter 21 and 22 in both overall systems 11 and 12, flows to the steam liquefaction device 32 and is liquefied again here with a reduction in entropy (point 6). Any non-condensable gases that may arise are sucked out here.

Das wieder flüssige kalte Arbeitsmittel 51 fließt ebenfalls dem Sammelbehälter 33 zu.The cold working medium 51, which is liquid again, also flows into the collecting container 33.

Thermodynamischer Punkt 1Thermodynamic point 1

Mit Eintritt des flüssigen, kalten Arbeitsmittels in den Sammelbehälter 33 ist in beiden Gesamtsystemen 11 und 12 der Punkt 1 des TLC2-Prozesses erreicht.When the liquid, cold working fluid enters the collecting container 33, point 1 of the TLC2 process is reached in both overall systems 11 and 12.

Die zuvor aufgenommene thermische Energie ist umgewandelt, das kalte Arbeitsmittel 51 (inkl. dem ehemaligen Gewichtsmedium 60) besitzt jetzt potentielle Energie.The previously absorbed thermal energy is converted, the cold working medium 51 (including the former weight medium 60) now has potential energy.

Thermodynamischer Punkt 7Thermodynamic point 7

Zur Umwandlung der potentiellen Energie in technisch nutzbare Energie fließt das kalte Arbeitsmittel 51 - in Gesamtsystem 12 auch das Gewichtsmedium 60 - durch druckstabile Zuführungen 42 unter Druckaufbau dem zweiten Energiewandler 34 zu.To convert the potential energy into technically usable energy, the cold working medium 51 - in the overall system 12 also the weight medium 60 - flows through pressure-stable feeds 42 to the second energy converter 34 while pressure builds up.

Am Eingang des zweiten Energiewandlers 34 erzeugt die Flüssigkeitssäule einen hohen Druck (Punkt 7). Dieser Druck wird im zweiten Energiewandler 34 teilweise in mechanische Energie umgesetzt, die nachfolgend z.B. in einem Generator in elektrische Energie umgewandelt, aber auch als mechanische Energie zum Antrieb von Maschinen verwendet werden kann.At the inlet of the second energy converter 34, the liquid column generates a high pressure (point 7). This pressure is partially converted into mechanical energy in the second energy converter 34, which is subsequently converted into electrical energy in a generator, for example, but can also be used as mechanical energy to drive machines.

Thermodynamischer Punkt 2Thermodynamic point 2

Das kalte Arbeitsmittel 51 verlässt den zweiten Energiewandler 34 unter einem verbleibenden Restdruck, nachfolgend als Dosierdruck pD bezeichnet. Dieser Dosierdruck pD entspricht Punkt 2 des TLC2-Prozesses und ist so hoch, dass das Arbeitsmittel 51 nachfolgend bei der erneuten Aufnahme von thermischer Energie im Wärmetauscher 31 nicht zu verdampfen beginnt.The cold working medium 51 leaves the second energy converter 34 under a remaining residual pressure, hereinafter referred to as metering pressure pD. This metering pressure pD corresponds to point 2 of the TLC2 process and is so high that the working fluid 51 does not subsequently begin to evaporate when thermal energy is absorbed again in the heat exchanger 31.

In Gesamtsystem 11 wird das gesamte Arbeitsmittel 51 erneut dem Wärmetauscher 31 zugeführt.In the overall system 11, the entire working fluid 51 is fed to the heat exchanger 31 again.

In Gesamtsystem 12 wird ein Teil des kalten Wärmemediums 51 als Gewichtsmedium 60 abgetrennt und direkt dem ersten Energiewandler 22 zugeführt. Das restliche Arbeitsmittel 51 wird erneut dem Wärmetauscher 31 zugeführt.In the overall system 12, part of the cold heat medium 51 is separated as a weight medium 60 and fed directly to the first energy converter 22. The remaining working fluid 51 is fed to the heat exchanger 31 again.

Damit ist der Startpunkt des Energieumwandlungsprozesses erreicht und der Kreislauf geschlossen.The starting point of the energy conversion process is now reached and the cycle is closed.

Vergleich der Gesamtsystems 11 und 12Comparison of the overall systems 11 and 12

Bei Vergleich der p-V-Diagramme der Gesamtsysteme 11 und 12 (Fig.4 und 7) ist erkennbar, dass beim Gesamtsystem 12 der größere Teil der technisch nutzbaren Energie bei deutlich verringerter Druckdifferenz zwischen den Punkten 7 und 2 aus dem Volumen des Arbeitsmittels 51 gewonnen wird. Entsprechend dem Volumen des eingesetzten Gewichtsmediums 60 ist die Bauhöhe des ersten Energiewandlers 22 reduziert (im Vergleich zum ersten Energiewandler 21), dies stellt sich als reduzierte Druckdifferenz zwischen den Punkten 7 und 2 des p-V-Diagramms des Gesamtsystems 12 (im Vergleich zum Gesamtsystem 11) dar.When comparing the pV diagrams of the overall systems 11 and 12 ( Fig.4 and 7 ) it can be seen that in the overall system 12 the majority of the technically usable energy is obtained from the volume of the working fluid 51 with a significantly reduced pressure difference between points 7 and 2. Depending on the volume of the weight medium 60 used, the height of the first energy converter 22 is reduced (compared to the first energy converter 21), this results in a reduced pressure difference between points 7 and 2 of the pV diagram of the overall system 12 (compared to the overall system 11). represents.

Bei gleicher Menge an zugeführter thermischer Energie wird in den Gesamtsystemen 11 und 12 jedoch immer die gleiche Menge an technisch nutzbarer Energie erzeugt.However, with the same amount of thermal energy supplied, the same amount of technically usable energy is always generated in the overall systems 11 and 12.

Leistungssteigerungperformance increase

Zur Steigerung der Leistung der Gesamtsysteme 11 und 12 können mehrere erste Energiewandler 21 bzw. weiterentwickelte erste Energiewandler 22 parallel genutzt werden (siehe Fig. 6 - dargestellt am Beispiel für Gesamtsystem 11). Dabei kann die Anzahl der ersten Energiewandler beliebig hoch sein. Eine entsprechende Anpassung der Leistungsfähigkeit der gemeinsam genutzten Komponenten Wärmetauscher 31, Dampfverflüssiger 32, Sammelbehälter 33 sowie des zweiten Energiewandlers 34 wird dabei vorausgesetzt.To increase the performance of the overall systems 11 and 12, several first energy converters 21 or further developed first energy converters 22 can be used in parallel (see Fig. 6 - shown using the example of the entire system 11). The number of the first energy converters can be as high as desired. A corresponding adjustment of the performance of the shared components heat exchanger 31, steam condenser 32, collecting container 33 and the second energy converter 34 is assumed.

Durch Abschaltung einzelner erster Energiewandler 21 bzw. 22 über einen Stop der Zuführung von Arbeitsmittel ist eine einfache Anpassung der Leistung der ersten Energiewandler 21 bzw. 22 an die Menge der verfügbaren thermischen Energie möglich. Eine Verwendung mehrerer, einzeln abschaltbarer Energiewandler 34 ist dabei vorteilhaft.By switching off individual first energy converters 21 or 22 by stopping the supply of working fluid, it is possible to easily adapt the performance of the first energy converters 21 or 22 to the amount of available thermal energy. The use of several energy converters 34 that can be switched off individually is advantageous.

Nutzbarer TemperaturbereichUsable temperature range

Die Arbeitsweise der Gesamtsysteme 11 und 12 basiert nur auf dem Druckunterschied zwischen dem Dampfdruck bei maximaler Arbeitstemperatur und dem Dampfdruck bei Dampfverflüssigungstemperatur.The operation of the overall systems 11 and 12 is based only on the pressure difference between the vapor pressure at maximum working temperature and the vapor pressure at vapor liquefaction temperature.

Gesamtsystem 11 ist hierbei besonders vorteilhaft für geringe Temperaturdifferenzen, Gesamtsystem 12 für höhere Temperaturdifferenzen.Overall system 11 is particularly advantageous for small temperature differences, overall system 12 for higher temperature differences.

Insbesondere dadurch, dass das weiterentwickelte Gesamtsystem 12 durch entsprechende Steuerung wie ein Gesamtsystem 11 betrieben werden kann, wird der Einsatzbereich des Gesamtsystems 12 wesentlich erweitert.In particular, because the further developed overall system 12 can be operated like an overall system 11 through appropriate control, the area of application of the overall system 12 is significantly expanded.

Weiternutzung der KondensationswärmeFurther use of the condensation heat

Durch den breiten nutzbaren und variablen Temperaturbereich ist bei einer entsprechenden Temperatur der Niedertemperaturwärmequelle auch eine Weiternutzung der Kondensationswärme möglich.Due to the wide usable and variable temperature range, further use of the condensation heat is possible at a corresponding temperature of the low-temperature heat source.

So kann z.B. bei einer maximalen Arbeitstemperatur von 150°C und einer Kondensationstemperatur von 70°C die Kondensationswärme Heizungswasser erwärmen.For example, at a maximum working temperature of 150°C and a condensation temperature of 70°C, the condensation heat can heat heating water.

Die erzeugte Energiemenge des Gesamtsystems sinkt entsprechend. Der exergetische Wirkungsgrad des Gesamtsystems verändert sich entsprechend dem Grad der Nutzung der Kondensationswärme.The amount of energy generated by the entire system decreases accordingly. The exergetic efficiency of the entire system changes according to the degree of use of the condensation heat.

Beschreibung der Gesamtsysteme 13 und 14 zur Wandlung von thermischer Energie in technisch nutzbare Energie als spezielle Ausführungen der Gesamtsysteme 11 und 12Description of the overall systems 13 and 14 for converting thermal energy into technically usable energy as special versions of the overall systems 11 and 12

In Abhängigkeit von der Art der Niedertemperaturwärmequelle und dem Ort der Bereitstellung der Niedertemperaturwärme sind spezielle Ausführungen der Gesamtsysteme 11 und 12 möglich. In Fig. 10 (Gesamtsystem 13) und Fig. 11 (Gesamtsystem 14) ist eine bevorzugte Anordnung zur Nutzung von Niedertemperaturwärme aus solarthermischer Erwärmung, aber auch aus Rauchgasen oder Kühlmitteldämpfen dargestellt.Depending on the type of low-temperature heat source and the location where the low-temperature heat is provided, special designs of the overall systems 11 and 12 are possible. In Fig. 10 (overall system 13) and Fig. 11 (Overall system 14) shows a preferred arrangement for using low-temperature heat from solar thermal heating, but also from flue gases or coolant vapors.

Gesamtsystem 13 ist eine Weiterentwicklung des Gesamtsystems 11. Gesamtsystem 14 ist eine Weiterentwicklung des Gesamtsystems 12.Overall system 13 is a further development of overall system 11. Overall system 14 is a further development of overall system 12.

Gemeinsames Merkmal der Gesamtsysteme 13 und 14 ist, dass der Wärmetauscher 31 zum Einbringen der Niedertemperaturwärme zwischen dem Sammelbehälter 33 und dem zweiten Energiewandler 34 angeordnet ist und sich über die Fallhöhe H erstreckt.The common feature of the overall systems 13 and 14 is that the heat exchanger 31 for introducing the low-temperature heat is arranged between the collecting container 33 and the second energy converter 34 and extends over the head H.

Das zu erwärmende Arbeitsmittel 51 durchläuft hierbei unter gleichzeitigem Druckaufbau den Wärmetauscher 31 und wird als bereits erwärmtes Arbeitsmittel 52 dem zweiten Energiewandler 34 zugeführt. Nach Austritt des warmen Arbeitsmittels aus dem zweiten Energiewandler 34 kommt es zu keiner Verdampfung aufgrund des verbleibenden hohen Dosierdrucks pD. Anschließend wird das erwärmte Arbeitsmittel direkt dem ersten Energiewandler 21 bzw. 22 zugeführt.The working medium 51 to be heated passes through the heat exchanger 31 while pressure builds up at the same time and is fed to the second energy converter 34 as already heated working medium 52. After the warm working fluid exits the second energy converter 34, there is no evaporation due to the remaining high metering pressure pD. The heated working fluid is then fed directly to the first energy converter 21 or 22.

In Fig.9 ist der in Gesamtsystem 13 bzw. 14 genutzte modifizierte zweistufige Tri-Lateral-Cycle-Prozess (nachfolgend als M-TLC2 bezeichnet) dargestellt. Der Punkt 2 des ursprünglichen TLC2-Prozesses nach Fig. 3 entfällt und Punkt 7 erhält eine geänderte Position im neuen M-TLC2-Prozess. Die Umsetzung der thermischen Energie in technisch nutzbare Energie erfolgt im M-TLC2-Prozess in den Verfahrensschritten:

  • Schritt a: Isentrope Umwandlung (Fig.3: Pkt. 4' und 4") der thermischen Energie des erwärmten Arbeitsmittels in einem ersten Energiewandler 21 oder 22 in potentielle Energie
  • Schritt b: Isobares Kondensieren (Fig.3: Pkt.5 - Pkt.1) des verdampften Anteils des Arbeitsmittels
  • Schritt c: Isochores Erwärmen (Fig.3: Pkt.1 - Pkt.7) des flüssigen Arbeitsmittels bei gleichzeitigem Aufbau von statischem Druck über die Fallhöhe H aus einer Niedertemperaturwärmequelle ohne Verdampfung des Arbeitsmittels
  • Schritt d: Isochore Umwandlung (Fig.3: Pkt.7 - Pkt.3) eines Teils des statischen Druckes im zweiten Energiewandler 34 in technisch nutzbare mechanische Energie
In Fig.9 the modified two-stage tri-lateral cycle process (hereinafter referred to as M-TLC2) used in the overall system 13 and 14 is shown. Point 2 of the original TLC2 process Fig. 3 is no longer applicable and point 7 has a changed position in the new M-TLC2 process. The conversion of thermal energy into technically usable energy takes place in the M-TLC2 process in the following steps:
  • Step a: Isentropic conversion ( Fig.3 : Points 4' and 4") of the thermal energy of the heated working fluid in a first energy converter 21 or 22 into potential energy
  • Step b: Isobaric condensation ( Fig.3 : Point 5 - Point 1) of the evaporated portion of the working fluid
  • Step c: Isochoric heating ( Fig.3 : Point 1 - Point 7) of the liquid working fluid with simultaneous build-up of static pressure above the head H from a low-temperature heat source without evaporation of the working fluid
  • Step d: Isochoric conversion ( Fig.3 : Point 7 - Point 3) part of the static pressure in the second energy converter 34 into technically usable mechanical energy

Der thermodynamische Ablauf des M-TLC2-Prozesses stellt sich im p-V-Diagramm optisch ähnlich dar, im Vergleich zum TLC2-Prozess ändert sich wenig.The thermodynamic sequence of the M-TLC2 process is visually similar in the p-V diagram; compared to the TLC2 process, little changes.

Anders im T-S-Diagramm, wo der fehlende Punkt 2 und die geänderte Position von Punkt 7 die neue Anordnung des Wärmetauschers und den dadurch geänderten Verlauf darstellt.This is different in the T-S diagram, where the missing point 2 and the changed position of point 7 represent the new arrangement of the heat exchanger and the resulting changed course.

Zum besseren Verständnis sind in den Figuren 10 und 11 das T-S-Diagramm und das p-V-Diagramm des jeweiligen Gesamtprozesses dargestellt. Die schraffierte Fläche im p-V-Diagramm entspricht dabei der in technisch nutzbare Arbeit umgesetzten thermischen Energie und ist für beide Gesamtsysteme bei gleichen Eingangsparametern gleich groß.For better understanding are in the Figures 10 and 11 the TS diagram and the pV diagram of the respective overall process are shown. The hatched area in the pV diagram corresponds to the thermal energy converted into technically usable work and is the same size for both overall systems with the same input parameters.

Detaillierte Beschreibung der Funktion des ersten Energiewandlers 21 bzw. des weiterentwickelten ersten Energiewandlers 22 zur Wandlung von thermischer Energie in potentielle EnergieDetailed description of the function of the first energy converter 21 or the further developed first energy converter 22 for converting thermal energy into potential energy

Die nachfolgende Beschreibung stellt die Arbeitsweise des ersten Energiewandlers 21 (Fig.12) und des weiterentwickelten ersten Energiewandlers 22 (Fig.13) dar. Auf Unterschiede wird im Text eingegangen.The following description presents the operation of the first energy converter 21 ( Fig.12 ) and the further developed first energy converter 22 ( Fig.13 ). Differences are discussed in the text.

Die physikalischen und technischen Grundlagen sind bereits zuvor in Fig. 5 und Fig 6 dargestellt und beschrieben. Die nachfolgende Beschreibung folgt dem Verlauf des TLC2-Prozesses nach Fig.3 bzw. des M-TLC2-Prozesses nach Fig.9 zwischen den Punkten 3 und 5.The physical and technical fundamentals are already in place Fig. 5 and Fig 6 shown and described. The following description follows the course of the TLC2 process Fig.3 or the M-TLC2 process Fig.9 between points 3 and 5.

Der erfindungsgemäße erste Energiewandler 21 (Fig.12) zur isentropen Wandlung von thermischer Energie eines unter Druck stehenden, erwärmten flüssigen Arbeitsmittels in potentielle Energie unter Realisierung einer teilweisen Entspannungsverdampfung nach dem TLC-Prozess umfasst zumindest die Bestandteile:

  • Ein geschlossenes, thermisch isoliertes, aufwärts gerichtetes Rohrsystem mit einem Aufstiegsrohr 130 und einem Abstiegsrohr 160 verbunden durch einen unteren Rohrbogen 110 und einen oberen Rohrbogen 140
  • Eine große Anzahl von in dem Rohrsystem frei umlaufende, mit einer Dichtung versehene, nicht kippende Kolben 170, die die Räume oberhalb und unterhalb des Kolbens voneinander trennen sowie im Abstiegsrohr 160 einen Kolbenstapel 171 bilden
  • Einbringöffnungen im Rohrsystem und einer Einbringvorrichtung 121 im unteren Bereich des Energiewandlers zum Einbringen von warmen Arbeitsmittel 52
  • Auslassöffnungen im Rohrsystem und einer Separierungsvorrichtung 150 im oberen Bereich des Rohrsystems zum Auslassen des flüssigen und verdampften Arbeitsmittels 51 und 54
Der erfindungsgemäße weiterentwickelte erste Energiewandler 22 (Fig.13) umfasst die gleichen Bauteile wie der erste Energiewandler 21 sowie zusätzlich:
  • eine erweiterte Einbringvorrichtung 122 auf dem unteren Niveau des Rohrsystems zum zusätzlichen Einbringen von Gewichtsmedium 60
The first energy converter 21 according to the invention ( Fig.12 ) for the isentropic conversion of thermal energy of a pressurized, heated liquid working medium into potential energy while realizing partial flash evaporation after the TLC process includes at least the components:
  • A closed, thermally insulated, upward pipe system with an ascent pipe 130 and a descent pipe 160 connected by a lower pipe bend 110 and an upper pipe bend 140
  • A large number of non-tilting pistons 170, which rotate freely in the pipe system and are provided with a seal, separate the spaces above and below the piston from one another and form a piston stack 171 in the descent pipe 160
  • Introduction openings in the pipe system and an introduction device 121 in the lower area of the energy converter for introducing warm working fluid 52
  • Outlet openings in the pipe system and a separation device 150 in the upper area of the pipe system for draining the liquid and vaporized working fluid 51 and 54
The further developed first energy converter 22 according to the invention ( Fig.13 ) includes the same components as the first energy converter 21 and additionally:
  • an extended introduction device 122 on the lower level of the pipe system for additional introduction of weight medium 60

Nicht in den Abbildungen dargestellt werden verschiedene Hilfs- und Zusatzsysteme, da ihre Position und Funktion vielfältig gelöst werden kann. Hilfs- und Zusatzsysteme können z.B. sein:

  • Startvorrichtung zur initialen Inbetriebsetzung des Prozesses
  • Serviceeinrichtungen zum Befüllen des Energiewandlers mit Kolben und Arbeitsmittel, Austausch defekter Kolben oder Reinigung des Arbeitsmittels (z.B. Abrieb)
  • Meßsensoren sowie Prozesssteuerungs- und Regeltechnik
  • Wärmespeicher
Various auxiliary and additional systems are not shown in the illustrations, as their position and function can be solved in a variety of ways. Auxiliary and additional systems can be, for example:
  • Starting device for initial startup of the process
  • Service facilities for filling the energy converter with pistons and working fluid, replacing defective pistons or cleaning the working fluid (e.g. abrasion)
  • Measuring sensors as well as process control and regulation technology
  • Heat storage

Schritt 1 - Einbringen der Medien Step 1 - Bring in the media

Startpunkt der Wandlung von thermischer Energie in potentielle Energie ist im unteren Bereich des Rohrsystems, - beispielhaft dargestellt - im unteren Rohrbogen 110.The starting point for the conversion of thermal energy into potential energy is in the lower area of the pipe system, - shown as an example - in the lower pipe bend 110.

Aus dem Abstiegsrohr 160 werden Kolben 170, die unter dem Druck pK des nachfolgenden Kolbenstapels 171 stehen, in die Einbringvorrichtungen 121 (Fig.12) bzw. 122 (Fig.13) geschoben. Der Druck pK des Kolbenstapels 171 aus dem Abstiegsrohr 160 ist hierbei größer als der maximale Arbeitsdruck pA.From the descent pipe 160, pistons 170, which are under the pressure pK of the subsequent piston stack 171, are introduced into the introduction devices 121 ( Fig.12 ) or 122 ( Fig.13 ) pushed. The pressure pK of the piston stack 171 from the descent pipe 160 is greater than the maximum working pressure pA.

Der Einbringvorrichtung 121 bzw. 122 wird von außen das unter einem Dosierdruck pD - der größer ist als der maximale Arbeitsdruck pA - stehende erwärmte Arbeitsmittel 52 zugeführt.The introduction device 121 or 122 is supplied from the outside with the heated working medium 52, which is under a metering pressure pD - which is greater than the maximum working pressure pA.

In der Einbringvorrichtung 121 bzw. 122 wird anschließend das erwärmte Arbeitsmittel 52 zwischen zwei Kolben 170 eingebracht. Dieser Bereich wird damit zu einem Arbeitsbereich AB.The heated working fluid 52 is then introduced between two pistons 170 in the introduction device 121 or 122. This area becomes a work area AB.

Zusätzlich kann in Einbringvorrichtung 122 (Fig.13) des weiterentwickelten ersten Energiewandlers 22 kaltes Arbeitsmittel als Gewichtsmedium 60 zwischen zwei Arbeitsbereiche AB eingebracht werden. Ein mit Gewichtsmedium 60 gefüllter Bereich wird damit zu einem Gewichtsbereich GB.In addition, in insertion device 122 ( Fig.13 ) of the further developed first energy converter 22 cold working medium can be introduced as a weight medium 60 between two work areas AB. An area filled with weight medium 60 thus becomes a weight area GB.

Die Menge der zugeführten Medien und der Zeitpunkt der Einbringung werden durch Dosiervorrichtungen 126 gesteuert.The amount of media supplied and the time of introduction are controlled by metering devices 126.

Zum sicheren Einbringen des Arbeitsmittels bzw. des Gewichtsmediums können in den Einbringvorrichtungen 121 und 122 einzelne Kolben 170 von einer Kolbenstoppvorrichtung 125 kurzzeitig angehalten werden. Nach Freigabe der gestoppten Kolben 170 werden die eingebrachten Bereiche durch den Druck der nachfolgenden Kolben 170 bzw. der nächsten eingebrachten Bereiche in das Aufstiegsrohr 130 geschoben.To safely introduce the working medium or the weight medium, individual pistons 170 can be briefly stopped in the introduction devices 121 and 122 by a piston stop device 125. After the stopped pistons 170 are released, the introduced areas are pushed into the riser pipe 130 by the pressure of the subsequent pistons 170 or the next introduced areas.

Die Kolben 170 schaffen dabei für das erwärmte Arbeitsmittel bzw. das Gewichtsmedium eine räumliche und thermisch isolierte Abgrenzung zu den vorhergehenden bzw. nachfolgenden Bereichen.The pistons 170 create a spatial and thermally insulated boundary for the heated working medium or the weight medium from the preceding or following areas.

Grundsätzlich ist es nicht notwendig, für den weiterentwickelten ersten Energiewandler 22 den Bereichen zwischen zwei Kolben jeweils eine spezifische Zuordnung zu Arbeitsbereich oder Gewichtsbereich zu geben. Jeder Bereich zwischen zwei Kolben kann Arbeitsbereich oder Gewichtsbereich sein.In principle, it is not necessary to give the areas between two pistons a specific assignment to the working area or weight range for the further developed first energy converter 22. Any area between two pistons can be a working area or a weight area.

Aus technischer Sicht kann es aber sinnvoll sein, die Kolben unterschiedlich zu gestalten und damit explizite Arbeits- und Gewichtsbereiche zwischen den Kolben zu spezifizieren.From a technical perspective, however, it can make sense to design the pistons differently and thus specify explicit work and weight ranges between the pistons.

Mögliche Gründe sind z.B.:

  • Das vereinfachte, getrennte Einbringen von Arbeitsmittel 52 und Gewichtsmedium 60
  • Bessere Steuerungsmöglichkeiten des Energiewandlers
Possible reasons include:
  • The simplified, separate introduction of work equipment 52 and weight medium 60
  • Better control options for the energy converter

Schritt 2 - Umwandlung der thermischen Energie in potentielle Energie Step 2 - Conversion of thermal energy into potential energy

Nach Eintritt der Arbeitsbereiche AB bzw. Gewichtsbereiche GB (letzteres nur im weiterentwickelten ersten Energiewandler 22) in das Aufstiegsrohr 130 beginnt, wie im Zusammenhang mit Fig.5 und 6 erläutert, eine langsame Verringerung des auf dem oberen Kolben lastendenden Arbeitsdruckes pA. Die erfindungsgemäß bevorzugte Ausführung des Aufstiegsrohres 130 ist senkrecht ohne Richtungsänderung. Das allgemeine Grundprinzip des Druckaufbaus erlaubt aber auch eine schräge, schraubenförmige oder andere aufwärts gerichtete Gestaltung des Aufstiegsrohres 130.After the working areas AB or weight areas GB (the latter only in the further developed first energy converter 22) enter the rise pipe 130, as in connection with Fig.5 and 6 explains, a slow reduction in the working pressure pA on the upper piston. The preferred embodiment of the riser pipe 130 according to the invention is vertical without a change in direction. The general basic principle of pressure build-up also allows an oblique, helical or other upward design of the rise pipe 130.

Nach Unterschreiten eines von der Temperatur und der Dampfdruckkurve des warmen Arbeitsmittels abhängigen Arbeitsdrucks pA beginnt das Arbeitsmittel 52 in einer Entspannungsverdampfung zu verdampfen, so dass warmer Arbeitsmitteldampf 53 gebildet wird. Dadurch kommt es zu einer Volumenvergrößerung des Arbeitsbereiches bei gleichzeitiger Abkühlung des Arbeitsmittels.After falling below a working pressure pA which is dependent on the temperature and the vapor pressure curve of the warm working fluid, the working fluid 52 begins to evaporate in a flash evaporation, so that warm working fluid vapor 53 is formed. This results in an increase in the volume of the work area while at the same time cooling down the work equipment.

Durch diese Volumenvergrößerung werden im Aufstiegsrohr alle oberhalb dieses Arbeitsbereiches befindlichen Arbeits- bzw. Gewichtsbereiche (letzteres nur im weiterentwickelten ersten Energiewandler 22) angehoben.Due to this increase in volume, all work or weight areas located above this work area (the latter only in the further developed first energy converter 22) are raised in the riser pipe.

Bei einer hinreichend großen Volumenvergrößerung führt dies zu einem Austritt von kaltem Arbeitsmitteldampf 54, kaltem Arbeitsmittel 51 und im weiterentwickelten ersten Energiewandler 22 auch Gewichtsmedium 60 im oberen Bereich des Rohrsystems - beispielhaft dargestellt im oberen Rohrbogen 140 - in die Separationsvorrichtung 150.With a sufficiently large increase in volume, this leads to an escape of cold working medium vapor 54, cold working medium 51 and, in the further developed first energy converter 22, weight medium 60 in the upper region of the pipe system - shown as an example in the upper pipe bend 140 - into the separation device 150.

Durch den Austritt der Medien in die Separationsvorrichtung 150 verringert sich der Arbeitsdruck pA, der auf den im Aufstiegsrohr 130 verbliebenen Arbeits- und Gewichtsbereichen (letzteres nur im weiterentwickelten ersten Energiewandler 22) lastet. Das führt in den noch im Aufstiegsrohr 130 befindlichen Arbeitsbereichen AB zu einer weiteren Entspannungsverdampfung des noch flüssigen warmen Arbeitsmittels 52, einem Ausdehnen des bereits vorhandenen warmen, unter Druck stehenden Arbeitsmitteldampfes 53, einer damit verbundenen Volumenvergrößerung der Arbeitsbereiche und dem Anheben aller oberhalb eines einzelnen Arbeitsbereiches befindlichen Bereiche.As the media exits the separation device 150, the working pressure pA, which rests on the work and weight areas remaining in the riser pipe 130 (the latter only in the further developed first energy converter 22), is reduced. In the work areas AB that are still in the riser pipe 130, this leads to further expansion evaporation of the still liquid warm work fluid 52, an expansion of the already existing warm, pressurized work fluid vapor 53, an associated increase in volume of the work areas and the lifting of all those located above an individual work area areas.

Der beschriebene Ablauf von

  • Austritt von Medien im oberen Bereich des Rohrsystems
  • einer dadurch initiierten Druckverringerung im Aufstiegsrohr 130
  • einer nachfolgenden Entspannungsverdampfung von warmen Arbeitsmittel 52
  • Ausdehnen des bereits vorhandenen warmen Arbeitsmitteldampfes 53
  • Anheben der Bereiche im Aufstiegsrohr 130
wiederholt sich stetig durch Zuführung neuer Bereiche in den Einbringvorrichtungen 121 bzw. 122. Dadurch unterliegt das warme Arbeitsmittel 52 während des Aufstiegs im Aufstiegsrohr 130 einer kontinuierlichen Entspannungsverdampfung bei gleichzeitiger Abkühlung von flüssigem Arbeitsmittel 52 und dem bereits entstandenen Arbeitsmitteldampf 53.The described process of
  • Media leakage in the upper area of the pipe system
  • a pressure reduction initiated thereby in the riser pipe 130
  • a subsequent flash evaporation of warm working fluid 52
  • Expansion of the already existing warm working medium vapor 53
  • Raising the areas in the riser pipe 130
is repeated continuously by supplying new areas in the introduction devices 121 and 122. As a result, the warm working fluid 52 is subject to continuous flash evaporation during the rise in the riser pipe 130 with simultaneous cooling of liquid working fluid 52 and the working fluid vapor 53 that has already formed.

Am Ende des Aufstiegs ist das Arbeitsmittel 52 teilweise verdampft und bis auf Kondensationstemperatur abgekühlt. Der entstandene Arbeitsmitteldampf 54 ist unter Volumenvergrößerung und Abkühlung bis auf Kondensationsdruck entspannt.At the end of the ascent, the working fluid 52 has partially evaporated and cooled down to the condensation temperature. The resulting working medium vapor 54 is expanded with an increase in volume and cooling down to condensation pressure.

Durch das Prinzip der frei beweglichen Kolben 170 gibt es keine mechanisch vorgegebene p-V-Kennlinie des ersten (21) und des weiterentwickelten ersten Energiewandlers (22). Das bedeutet, die p-V-Kennlinie der ersten Energiewandler ist variabel und passt sich aufgrund des sich selbst regulierenden Arbeitsdruckes pA jedes einzelnen Arbeitsbereiches und der dadurch erzwungenen Entspannungsverdampfung des Arbeitsmittels selbsttätig der p-V-Verdampfungskennlinie des Arbeitsmittels im genutzten Temperaturbereich an.Due to the principle of the freely movable pistons 170, there is no mechanically predetermined p-V characteristic curve of the first (21) and the further developed first energy converter (22). This means that the p-V characteristic of the first energy converters is variable and, due to the self-regulating working pressure pA of each individual work area and the resulting forced expansion evaporation of the work fluid, automatically adapts to the p-V evaporation characteristic of the work fluid in the temperature range used.

Vergleichbares ist mit Vorrichtungen nach dem Stand der Technik nicht möglich.Something comparable is not possible with devices according to the state of the art.

Gleichfalls ist damitThe same is with it

  • eine stufenlose Volumenvergrößerung von mehr als 1:100 - bezogen auf das Ausgangsvolumen des flüssigen warmen Arbeitsmittels zum Endvolumen des teilverdampften gasförmigen/flüssigen kalten Arbeitsmittels - sowiea continuous volume increase of more than 1:100 - based on the initial volume of the liquid warm working fluid to the final volume of the partially evaporated gaseous/liquid cold working fluid - as well
  • eine stufenlose Druckentspannung von weit mehr als 1:10 - bezogen auf den maximalen Arbeitsdruck auf dem unteren Niveau zum minimalem Arbeitsdruck auf dem oberen Niveau - möglicha continuous pressure relief of well over 1:10 - based on the maximum working pressure at the lower level to the minimum working pressure at the upper level - is possible
Schritt 3 - Trennung und Ausbringung der Medien Step 3 - Separation and removal of media

Nach dem Austritt des Arbeitsmitteldampfes 54, des abgekühlten, flüssig verbliebenen Arbeitsmittels 51 bzw. Gewichtsmedium 60 (letzteres nur im weiterentwickelten ersten Energiewandler 22) im oberen Rohrbogen 140 aus dem Rohrsystem werden die Medien in der Separationsvorrichtung 150 getrennt.After the working medium vapor 54, the cooled, liquid remaining working medium 51 or weight medium 60 (the latter only in the further developed first energy converter 22) exit the pipe system in the upper pipe bend 140, the media are separated in the separation device 150.

Das flüssig verbliebene Arbeitsmittel 51 wird aufgefangen, gesammelt und dem Sammelbehälter 33 zugeführt. Im weiterentwickelten Energiewandler 22 wird das flüssig verbliebene Arbeitsmittel 51 gemeinsam mit dem Gewichtsmedium 60 aufgefangen.The remaining liquid working fluid 51 is collected, collected and fed to the collecting container 33. In the further developed energy converter 22, the remaining liquid working medium 51 is collected together with the weight medium 60.

Der Arbeitsmitteldampf 54 wird durch entsprechende Zuführungen 40 der Dampfverflüssigungsvorrichtung 32 zugeführt. Evtl. vom Arbeitsmitteldampf mitgerissene Arbeitsmittel-Tröpfchen werden in der Separationsvorrichtung 150 abgeschieden und dem Sammelbehälter 33 zugeführt.The working fluid vapor 54 is supplied to the vapor liquefaction device 32 through appropriate feeds 40. Any droplets of working fluid that may have been entrained by the working fluid vapor are separated in the separation device 150 and fed to the collecting container 33.

Schritt 4 - Rückführung der Kolben Step 4 - Return the Pistons

Die nach Austritt der Medien aus dem Rohrsystem funktionslosen Kolben 170 werden weiter zum Abstiegsrohr 160 geführt. Dort wird durch das Eigengewicht der Kolben der restliche Arbeitsmitteldampf 54 durch dafür vorgesehene Auslassöffnungen aus dem Rohrsystem in die Separationsvorrichtung 150 gedrückt.The pistons 170, which are inoperative after the media exits the pipe system, are guided further to the descent pipe 160. There, due to the weight of the pistons, the remaining working medium vapor 54 is pressed out of the pipe system into the separation device 150 through outlet openings provided for this purpose.

Die Kolben 170 werden als Kolbenstapel 171 zusammengeführt und erzeugen durch ihr Eigengewicht den in den Einbringvorrichtungen 121 und 122 benötigen Kolbendruck pK.The pistons 170 are brought together as a piston stack 171 and, due to their own weight, generate the piston pressure pK required in the insertion devices 121 and 122.

Der erfindungsgemäße Aufbau der ersten Energiewandler 21 und 22 als geschlossenes Rohrsystem mit freilaufenden Kolben eröffnet die Möglichkeit einer Energiewandlung von thermischer in potentielle Energie mit einem sehr großen und variablen Arbeitsbereich hinsichtlich der möglichen Volumenvergrößerung und dem abzubauenden Arbeitsdruck.The inventive structure of the first energy converters 21 and 22 as a closed pipe system with free-running pistons opens up the possibility of energy conversion from thermal to potential energy with a very large and variable working range in terms of the possible increase in volume and the working pressure to be reduced.

Die durch das Prinzip einzelner kleiner Arbeitsbereiche realisierbare stufenlose und variable Entspannungsverdampfung eines Arbeitsmittels ist nur mit einer sehr fein gestuften Turbine vergleichbar.The stepless and variable flash evaporation of a working medium, which can be achieved using the principle of individual small working areas, can only be compared with a very finely stepped turbine.

Der besondere Vorteil der Vielzahl einzelner Arbeitsbereiche ist die damit verbundene lange Zeit (im Vergleich zum Stand der Technik) vom Beginn der Entspannungsverdampfung des Arbeitsmittels bis zum Austritt auf dem oberen Niveau (siehe Fig.3, Punkt 3-5 des T-S-Diagramms).The particular advantage of the large number of individual work areas is the associated long time (compared to the state of the art) from the start of the flash evaporation of the work fluid until it exits at the upper level (see Fig.3 , points 3-5 of the TS diagram).

Bei einer Anzahl von maximal 5 neu zugeführten Arbeitsbereichen je Sekunde, (idealerweise weniger als einem Arbeitsbereich je Sekunde) und einer zum Druckaufbau im Rohr erforderlichen Anzahl von mindestens 10 Arbeitsbereichen ergibt sich eine relativ lange Zeit der Entspannungsverdampfung von 2-10 Sekunden (bei höheren Temperaturen des warmen Arbeitsmittels 52 wegen der größeren Anzahl an Arbeitsbereichen bis zu einigen Minuten), was mit Vorrichtungen nach dem Stand der Technik nicht erreichbar ist.With a maximum of 5 new working areas per second (ideally less than one working area per second) and a minimum number of 10 working areas required to build up pressure in the pipe, this results in a relatively long flash evaporation time 2-10 seconds (at higher temperatures of the warm working medium 52 up to a few minutes due to the larger number of work areas), which cannot be achieved with devices according to the prior art.

Durch diese lange Zeit der Entspannungsverdampfung wird eine explosionsartige Dampfblasenbildung, die bei Vorrichtungen nach dem Stand der Technik durch Tröpfchenerosion eine große Gefahr darstellt, vermieden.This long period of flash evaporation avoids the formation of explosive vapor bubbles, which poses a great danger in devices according to the prior art due to droplet erosion.

Als weiterer Vorteil kann die Entspannungsverdampfungskurve im T-S-Diagramm nach Fig. 3 und Fig. 9 von Punkt 3 bis Punkt 5 sicher und vollständig durchlaufen und die aufgenommene thermische Energie vollständig umgesetzt werden.As a further advantage, the flash evaporation curve can be shown in the TS diagram Fig. 3 and Fig. 9 from point 3 to point 5 pass through safely and completely and the thermal energy absorbed can be fully converted.

In Fig.14 sind ergänzend dazu verschiedene Szenarien als T-S-Diagramme dargestellt.

Fig. 14a
- Verlauf unter Basis-Betriebsbedingungen definiert durch die Temperatur der Wärmequelle und der Dampfverflüssigungstemperatur
Fig. 14b
- Verlauf mit gegenüber den Basis-Betriebsbedingungen erhöhter Temperatur der Wärmequelle (Bsp.: Nutzung von Solarthermie als Wärmequelle im Sommer) Der Ausgangspunkt der Entspannungsverdampfung (Punkt 3) ist nach oben verschoben. Es wird mehr thermische Energie als unter Basis-Betriebsbedingungen umgesetzt.
Fig. 14c
- Verlauf mit gegenüber den Basis-Betriebsbedingungen erhöhter Dampfverflüssigungstemperatur (Bsp.: Nutzung von Erdwärme als Wärmequelle und Kühlung durch Umgebungsluft im Sommer) Die Kondensationslinie von Punkt 5 zu Punkt 1 ist nach oben verschoben. Die Entspannungskurve von Punkt 3 zu Punkt 5 ist verkürzt. Es wird weniger Energie als unter Basis-Betriebsbedingungen umgesetzt.
Fig. 14d
- Verlauf mit gegenüber den Basis-Betriebsbedingungen erhöhter Temperatur der Wärmequelle und erhöhter Dampfverflüssigungstemperatur (Bsp.: Nutzung von Solarthermie als Wärmequelle und Kühlung durch Umgebungsluft im Sommer) Je nach Temperaturdifferenz zwischen den Punkten 2 und 3 wird mehr oder auch weniger thermische Energie als unter Basis-Betriebsbedingungen umgesetzt.
In addition, various scenarios are shown as TS diagrams in Fig. 14.
Fig. 14a
- Course under basic operating conditions defined by the temperature of the heat source and the vapor liquefaction temperature
Fig. 14b
- Course with an increased temperature of the heat source compared to the basic operating conditions (e.g.: use of solar thermal energy as a heat source in summer) The starting point of the flash evaporation (point 3) is shifted upwards. More thermal energy is converted than under basic operating conditions.
Fig. 14c
- Course with increased steam condensation temperature compared to the basic operating conditions (e.g.: use of geothermal energy as a heat source and cooling by ambient air in summer) The condensation line from point 5 to point 1 is shifted upwards. The relaxation curve from point 3 to point 5 is shortened. Less energy is converted than under basic operating conditions.
Fig. 14d
- Course with an increased temperature of the heat source and increased steam liquefaction temperature compared to the basic operating conditions (e.g.: use of solar thermal energy as a heat source and cooling by ambient air in summer). Depending on the temperature difference between points 2 and 3, more or less thermal energy is produced than under base -Operating conditions implemented.

Ein weiterer wesentlicher Punkt ist die Gestaltung des umlaufenden Rohrsystems und der Kolben. Die Rohre zur Führung der Kolben sind mit einer gut gleitfähigen thermischen Innenisolation wie z.B. PTFE oder Polyamid (PA) versehen.Another important point is the design of the surrounding pipe system and the pistons. The tubes for guiding the pistons are provided with a well-sliding thermal internal insulation such as PTFE or polyamide (PA).

Die Kolben selber sind an den Dichtflächen mit einem zum Material der Innenisolation des Rohres passenden Dichtungs- und Gleitmaterial versehen, das sowohl eine Abdichtung der Bereiche als auch eine thermische Isolation gewährleistet.The pistons themselves are provided on the sealing surfaces with a sealing and sliding material that matches the material of the inner insulation of the pipe, which ensures both sealing of the areas and thermal insulation.

Innerhalb eines Arbeitsbereiches kommt es durch den Kontakt des Arbeitsmittels mit der Rohrwand und dem Abstreifen des Arbeitsmittels durch den Kolben von der Rohrwand zu Verwirbelungen und einer intensiven Durchmischung des Arbeitsmittels. Das fördert die Verdampfung des Arbeitsmittels.Within a working area, the contact of the working fluid with the pipe wall and the stripping of the working fluid from the pipe wall by the piston leads to turbulence and intensive mixing of the working fluid. This promotes the evaporation of the working fluid.

Durch eine geeignete Gestaltung des Kolbens und der Kolbendichtung kann diese Verwirbelung zusätzlich gefördert werden.This turbulence can be further promoted through a suitable design of the piston and the piston seal.

Die Kolben weisen zudem vorzugsweise eine aufgeraute, poröse Oberfläche auf, die eine Blasenbildung beim Verdampfen des Arbeitsmittels fördert (vergleichbar der Wirkung von Siedesteinchen).The pistons also preferably have a roughened, porous surface, which promotes the formation of bubbles when the working fluid evaporates (comparable to the effect of boiling stones).

Da aufgrund der erfindungsgemäßen Konstruktion an den Kolben nur sehr geringe Druckunterschiede von weniger als 0,001 MPa (0,01bar) auftreten (Druckunterschied = Kolbengewicht/Fläche), liegt die Hauptaufgabe der Kolbendichtung in einer Stützfunktion, um ein Kippen der Kolben im Rohrsystem zu verhindern. Dies ist durch ein geeignetes Kolbendesign möglich. Entsprechende Kolbendesigns sind dem Fachmann bekannt.Since only very small pressure differences of less than 0.001 MPa (0.01 bar) occur on the pistons due to the design according to the invention (pressure difference = piston weight/area), the main task of the piston seal is to provide a support function in order to prevent the pistons from tipping in the pipe system. This is possible through a suitable piston design. Corresponding piston designs are known to those skilled in the art.

Unterstützend beim Kolbendesign ist der Rohrquerschnitt. Neben einem kreisförmigen Querschnitt weisen nicht kreisförmige Rohrquerschnitte (z.B. Ellipse oder Oval) Vorteile z.B. bei der Gestaltung der Einbringvorrichtung bzw. der Austrittsöffnungen und anderer Aufgaben auf.The pipe cross section supports the piston design. In addition to a circular cross section, non-circular pipe cross sections (e.g. ellipse or oval) have advantages, for example in the design of the insertion device or the outlet openings and other tasks.

Eine Ausführung des unteren und oberen Abschnittes des umlaufenden Rohrsystems als horizontale Zone mit konstantem Druck (Beispiele siehe Fig. 15) in Kombination mit einem nicht kreisförmigen Rohrquerschnitt erleichtert die technische Gestaltung der Einbringvorrichtung 120 und der Separierungsvorrichtung 150.A design of the lower and upper sections of the circumferential pipe system as a horizontal zone with constant pressure (see examples Fig. 15 ) in combination with a non-circular pipe cross section facilitates the technical design of the introduction device 120 and the separation device 150.

ProzessbeispieleProcess examples

Wie in Tabelle 1 exemplarisch aufgeführt, können mit dem Gesamtsystem 11 nach Fig.4 bereits geringe Temperaturunterschiede von 10°K nutzbar gemacht werden.As listed in Table 1 as an example, the overall system 11 can be used Fig.4 Even small temperature differences of 10°K can be used.

Die aufgrund der Temperaturdifferenz thermodynamisch gegebene geringe Druckdifferenz von nur 0,033 MPa (0,33bar) zwischen dem maximalen Arbeitsdruck und dem Dampfverflüssigungsdruck im erfindungsgemäßen ersten Energiewandler 21 wird in eine technisch gut nutzbare Druckdifferenz von 0,25 MPa (2,5bar) für den zweiten Energiewandler 34 umgesetzt.The small pressure difference of only 0.033 MPa (0.33 bar), which is thermodynamically given due to the temperature difference, between the maximum working pressure and the vapor liquefaction pressure in the first energy converter 21 according to the invention is converted into a technically usable pressure difference of 0.25 MPa (2.5 bar) for the second energy converter 34 implemented.

Vergleichbares ist mit Vorrichtungen nach dem Stand der Technik nicht realisierbar.Something comparable cannot be achieved with devices according to the state of the art.

Der erfindungsgemäße Einsatz des weiterentwickelten Energiewandlers 22 nach Fig.13 mit zusätzlichen Gewichtsbereichen bei höheren Eingangstemperaturen senkt die technisch notwendige Höhe zum Aufbau des maximalen Arbeitsdruckes pA zwischen dem unteren und dem oberen Niveau, wie bereits in der Erläuterung zu Fig. 6 und Fig.7 dargestellt.The use of the further developed energy converter 22 according to the invention Fig.13 with additional weight ranges at higher inlet temperatures, the technically necessary height to build up the maximum working pressure pA between the lower and upper levels is reduced, as already explained in the explanation Fig. 6 and Fig.7 shown.

In Tabelle 2 ist exemplarisch ein Vergleich der Gesamtsysteme 11 (ohne Gewichtsmedium) und 12 (mit Gewichtsmedium) bei ansonsten gleichen Eingangsparametern dargestellt.Table 2 shows an example of a comparison of the overall systems 11 (without weight medium) and 12 (with weight medium) with otherwise identical input parameters.

Wie aus den Werten zu ersehen ist, ist bei Nutzung eines Gewichtsmediums (siehe Fig.7) eine wesentlich geringere Höhe des aufwärts führenden Rohres zum Aufbau des benötigten Arbeitsdruckes erforderlich. Der technisch minimal erforderliche Differenzdruck für den zweiten Energiewandler 34 (im Beispiel 0,3 MPa) wird damit zum bestimmenden Faktor für die Menge des eingesetzten Gewichtsmediums und die Bauhöhe des ersten Energiewandlers.As can be seen from the values, when using a weight medium (see Fig.7 ) a significantly lower height of the upward pipe is required to build up the required working pressure. The technically minimum required differential pressure for the second energy converter 34 (0.3 MPa in the example) thus becomes the determining factor for the amount of weight medium used and the height of the first energy converter.

In Tabelle 3 sind beispielhaft die Arbeitsparameter eines Gesamtsystems 12 mit einem weiterentwickelten ersten Energiewandler 22 bei unterschiedlichen Arbeitstemperaturen aufgeführt. Das dargestellte Temperaturszenario (Anstieg der maximalen Arbeitstemperatur von 40 auf 100 °C) entspricht dem Tagesverlauf eines Energiewandlers mit solarthermischer Wärmezufuhr und Verflüssigung des Arbeitsmitteldampfes durch Umgebungsluft bei steigender Umgebungstemperatur (Anstieg der Kondensationstemperatur von 20 auf 40°C).Table 3 shows examples of the working parameters of an overall system 12 with a further developed first energy converter 22 at different working temperatures. The temperature scenario shown (increase in the maximum working temperature from 40 to 100 °C) corresponds to the daily course of an energy converter with solar thermal heat supply and liquefaction of the working fluid vapor by ambient air as the ambient temperature increases (increase in the condensation temperature from 20 to 40 °C).

Deutlich ablesbar sind die sich verändernden Betriebsparameter in Abhängigkeit von der Änderung der maximalen Arbeitstemperatur und der Kondensationstemperatur. In der letzten Spalte ist beispielhaft der Einfluss der Kondensationstemperatur auf die erzielbare Leistung dargestellt.The changing operating parameters depending on the change in the maximum working temperature and the condensation temperature are clearly visible. The last column shows an example of the influence of the condensation temperature on the achievable performance.

Bei einer angenommenen Anzahl von einem neu zugeführten Arbeitsbereich je Sekunde entspricht die Zahl der eingesetzten Arbeitsbereiche der Anzahl an Sekunden, in der das Arbeitsmittel die Entspannungsverdampfungskurve vom thermodynamischen Punkt 3 zum Punkt 5 des TLC2-Prozesses durchläuft. Tabelle 1 Prozessbeispiel für die Umsetzung des TLC2-Prozesses in Gesamtsystem 11 bei einer Temperaturdifferenz von 10° zwischen Eingangs- und Kondensationstemperatur Eingangs-Parameter Einheit Gesamtsystem 11 Max. Arbeitstemperatur °C 40 Kondensationstemperatur °C 30 Mittl. Wirkungsgrad nach Carnot % -1,6 Arbeitsmittel / Dichte -/ kg/m2 n - Pentan / 605,76 Max. Arbeitsdruck MPa 0,115 Kondensationsdruck MPa 0,082 Menge Arbeitsmittel kg 1,6 Rohrdurchmesser m 0,1 Ausgangshöhe Arbeitsmittel m 0,33 Ergebnis-Parameter Menge Arbeitsmittel, verdampft / flüssig kg 0,1 / 1,5 Endhöhe Arbeitsmittel, flüssig + Dampf m 5,54 Entspannungsverhältnis 1:16,9 Notwendige Rohrhöhe m 48 Anzahl Arbeitsbereiche - 19 Differenzdruck zw. Punkt 7 und 2 MPa 0,25 Geleistete Arbeit je Arbeitsbereich kWs 0,66 Flächenleistung kW/m2 84,5 Tabelle 2 Vergleich der Gesamtsysteme 11 und 12 bei einer Eingangstemperatur von 100°C und einer Kondensationstemperatur von 40°C Eingangs-Parameter Einheit Gesamtsystem 11 Gesamtsystem 12 Max. Arbeitstemperatur °C 100 Kondensationstemperatur °C 40 Mittlerer Wirkungsgrad nach Carnot % 8,74 Arbeitsmittel / Dichte -/ kg/m2 n - Pentan / 605,76 Max. Arbeitsdruck MPa 0,59 Kondensationsdruck MPa 0,115 Rohrdurchmesser m 0,1 Menge erwärmtes Arbeitsmittel kg 0,23 Ausgangshöhe Arbeitsmittel m 0,0515 Menge kaltes n-Pentan als Gewichtsmedium kg 0 5,6 Ergebnis-Parameter Menge Arbeitsmittel, verdampft / flüssig kg 0,1 / 0,13 Endhöhe Arbeitsmittel, flüssig + Dampf m 3,5 Entspannungsverhältnis 1:68 Notwendige Rohrhöhe m 1525 138 Anzahl Arbeitsbereiche - 1564 63 Differenzdruck zw. Punkt 7 und 2 MPa 8,6 0,3 Nutzbares Arbeitsmittel je Arbeitsbereich (+Gewichtsbereich) kg 0,23 5,83 Geleistete Arbeit je Arbeitsbereich kWs -3,15 Flächenleistung kW/m2 -400 Tabelle 3 Beispiel Spreizung Arbeitsparameter bei solarthermischer Erwärmung und Kühlung durch Umgebungsluft Eingangs-Parameter Einheit Gesamtsystem 12 Betriebsart erster Energiewandler - Energiewandler 22 Max. Arbeitstemperatur °C 40 60 80 100 100 Kondensationstemperatur °C 20 30 40 20 Mittlerer Wirkungsgrad nach Carnot % 3,3 4,7 6 8,74 12 Arbeitsmittel / Dichte @20°C -/ kg/m2 N - Pentan / 625,76 Max. Arbeitsdruck MPa 0,115 0,214 0,368 0,59 Kondensationsdruck MPa 0,056 0,082 0,115 0,056 Rohrhöhe m 138 Rohrdurchmesser m 0,1 Menge warmes Arbeitsmittel kg 0,79 0,5 0,355 0,23 0,185 Ausgangshöhe Arbeitsmittel m 0,16 0,1 0,077 0,051 0,041 Menge kaltes Gewichtsmedium kg 1,6 2,8 3,45 5,6 10 Höhe Gewichtsmedium m 0,326 0,58 0,73 1,18 2 Ergebnis-Parameter Arbeitsmittel, verdampft / flüssig kg 0,1 / 0,69 0,1 / 0,4 0,1 / 0,25 0,1 / 0,13 0,1 / 0,08 Endhöhe Arbeitsmittel (flüssig + Dampf) m 7,5 5,3 3,825 3,80 7,4 Entspannungsverhältnis 1:47 1:53 1:50 1:74 1:170 Anzahl wirksame Arbeitsbereiche - 18 30 49 63 41 Differenzdruck zw. Punkt 7 und 2 MPa 0,3 Nutzbares Arbeitsmittel kg 2,39 3,2 3,8 5,83 10,2 Geleistete Arbeit je Arbeitsbereich kWs 1,23 1,77 2,25 3,33 4,9 Flächenleistung bei einem Arbeitsbereich / sec kW/m2 156 225 286 424 629 Assuming the number of new working areas added per second, the number of working areas used corresponds to the number of seconds in which the working fluid passes through the flash evaporation curve from thermodynamic point 3 to point 5 of the TLC2 process. <b>Table 1</b> Process example for the implementation of the TLC2 process in the overall system 11 with a temperature difference of 10° between the inlet and condensation temperature Input parameters Unit Overall system 11 Max. working temperature °C 40 condensation temperature °C 30 Mean Efficiency according to Carnot % -1.6 Work equipment/density -/ kg/ m2 n - pentane / 605.76 Max. working pressure MPa 0.115 Condensation pressure MPa 0.082 Amount of work equipment kg 1.6 Pipe diameter m 0.1 Starting height of work equipment m 0.33 Result parameters Amount of working fluid, evaporated / liquid kg 0.1 / 1.5 Final height of working fluid, liquid + steam m 5.54 relaxation ratio 1:16.9 Necessary pipe height m 48 Number of work areas - 19 Differential pressure between points 7 and 2 MPa 0.25 Work performed per work area kWs 0.66 Area performance kW/ m2 84.5 Comparison of the overall systems 11 and 12 at an inlet temperature of 100°C and a condensation temperature of 40°C Input parameters Unit Overall system 11 Overall system 12 Max. working temperature °C 100 condensation temperature °C 40 Average efficiency according to Carnot % 8.74 Work equipment/density - / kg/ m2 n - pentane / 605.76 Max. working pressure MPa 0.59 Condensation pressure MPa 0.115 Pipe diameter m 0.1 Amount of heated work equipment kg 0.23 Starting height of work equipment m 0.0515 Amount of cold n-pentane as a weight medium kg 0 5.6 Result parameters Amount of working fluid, evaporated / liquid kg 0.1 / 0.13 Final height of working fluid, liquid + steam m 3.5 relaxation ratio 1:68 Necessary pipe height m 1525 138 Number of work areas - 1564 63 Differential pressure between points 7 and 2 MPa 8.6 0.3 Usable work equipment per work area (+weight range) kg 0.23 5.83 Work performed per work area kWs -3.15 Area performance kW/ m2 -400 Example spread of working parameters for solar thermal heating and cooling by ambient air Input parameters Unit Overall system 12 First energy converter operating mode - Energy converter 22 Max. working temperature °C 40 60 80 100 100 condensation temperature °C 20 30 40 20 Average efficiency according to Carnot % 3.3 4.7 6 8.74 12 Working medium / density @20°C - / kg/ m2 N - Pentane / 625.76 Max. working pressure MPa 0.115 0.214 0.368 0.59 Condensation pressure MPa 0.056 0.082 0.115 0.056 Pipe height m 138 Pipe diameter m 0.1 Amount of warm work equipment kg 0.79 0.5 0.355 0.23 0.185 Starting height of work equipment m 0.16 0.1 0.077 0.051 0.041 Amount of cold weight medium kg 1.6 2.8 3.45 5.6 10 Height weight medium m 0.326 0.58 0.73 1.18 2 Result parameters Working fluid, evaporated/liquid kg 0.1 / 0.69 0.1 / 0.4 0.1 / 0.25 0.1 / 0.13 0.1 / 0.08 Final height of working fluid (liquid + steam) m 7.5 5.3 3,825 3.80 7.4 relaxation ratio 1:47 1:53 1:50 1:74 1:170 Number of effective work areas - 18 30 49 63 41 Differential pressure between points 7 and 2 MPa 0.3 Usable work tool kg 2.39 3.2 3.8 5.83 10.2 Work performed per work area kWs 1.23 1.77 2.25 3.33 4.9 Area performance in a working area / sec kW/ m2 156 225 286 424 629

Claims (21)

Energiewandler (21) zur isentropen Umwandlung der thermischen Energie eines unter Druck stehenden, durch Kontakt mit einer Wärmequelle erwärmten flüssigen Arbeitsmittel (52) in potentielle Energie unter Realisierung einer teilweisen Entspannungsverdampfung nach dem TLC-Prozess gekennzeichnet durch mindestens die Bestandteile: • Ein geschlossenes, thermisch isoliertes, aufwärts gerichtetes Rohrsystem mit einem Aufstiegsrohr (130) und einem Abstiegsrohr (160), verbunden durch Rohrbögen (110, 140) • Eine Anzahl von mindestens 10 in dem geschlossenen Rohrsystem frei umlaufende, mit einer Dichtung versehene und die Räume oberhalb und unterhalb trennende Kolben (170) die im Abstiegsrohr 160 einen Kolbenstapel 171 bilden • Einbringöffnungen und einer Einbringvorrichtung (121) auf dem unteren Niveau des Rohrsystems zum Einbringen des erwärmten Arbeitsmittels (52) in einen Arbeitsbereich (AB) zwischen zwei Kolben (170) • Auslassöffnungen im Mantel des Rohres auf dem oberen Niveau zum Auslassen des flüssig verbliebenen (51) und des verdampften (54) Arbeitsmittels aus dem Rohrsystem • Einer Separierungsvorrichtung (150) zum Trennen des verdampften Arbeitsmittels (54) von dem flüssig gebliebenen, kalten Arbeitsmittel (51). Energy converter (21) for the isentropic conversion of the thermal energy of a pressurized liquid working medium (52) heated by contact with a heat source into potential energy while realizing partial flash evaporation according to the TLC process , characterized by at least the components: • A closed, thermally insulated, upward pipe system with an ascent pipe (130) and a descent pipe (160), connected by pipe bends (110, 140) • A number of at least 10 pistons (170) which rotate freely in the closed pipe system and are provided with a seal and separate the spaces above and below and form a piston stack 171 in the descent pipe 160 • Introduction openings and an introduction device (121) on the lower level of the pipe system for introducing the heated working fluid (52) into a working area (AB) between two pistons (170) • Outlet openings in the jacket of the pipe at the upper level for exhausting the remaining liquid (51) and the vaporized (54) working fluid from the pipe system • A separation device (150) for separating the evaporated working fluid (54) from the cold working fluid (51) that remains liquid. Energiewandler (22) nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch mindestens die Bestandteile: • Zusätzliche Einbringöffnungen und einer Einbringvorrichtung (122) auf dem unteren Niveau des Rohrsystems zum Einbringen eines unter Druck stehenden, flüssigen Gewichtsmediums (60) in einen Gewichtsbereich (GB) zwischen zwei Arbeitsbereiche (AB), wobei das Gewichtsmedium (60) nicht durch die Wärmequelle erwärmtes Arbeitsmittel ist • Auslassöffnungen auf dem oberen Niveau zum gemeinsamen Auslassen des flüssig verbliebenen (51) und des verdampften (54) Arbeitsmittels sowie des flüssigen Gewichtsmediums (60) aus dem Rohrsystem • Einer Separierungsvorrichtung (150) zum Trennen des verdampften Arbeitsmittels (54) von dem flüssig gebliebenen, kalten Arbeitsmittel (51) sowie dem flüssigen Gewichtsmedium (60). Energy converter (22) according to claim 1, characterized by at least the components: • Additional introduction openings and an introduction device (122) on the lower level of the pipe system for introducing a pressurized, liquid weight medium (60) into a weight area (GB) between two work areas (AB), whereby the weight medium (60) does not pass through the heat source heated work equipment • Outlet openings on the upper level for jointly discharging the liquid remaining (51) and the evaporated (54) working fluid as well as the liquid weight medium (60) from the pipe system • A separation device (150) for separating the evaporated working fluid (54) from the cold working fluid (51) that remains liquid and the liquid weight medium (60). Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrsystem so dimensioniert ist, dass zur Umwandlung der thermischen Energie des erwärmten Arbeitsmittels (52) in potentielle Energie im Aufstiegsrohr (130) des Energiewandlers mindestens 10, bevorzugt mehr als 20 voneinander unabhängige, einzelne Arbeitsbereiche (AB) vorgesehen sind.Energy converter according to one of the preceding claims, characterized in that the pipe system is dimensioned such that to convert the thermal energy of the heated working medium (52) into potential energy in the rise pipe (130) of the energy converter at least 10, preferably more than 20, independent, individual Work areas (AB) are provided. Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrsystem so dimensioniert ist, dass die Bewegung eines einzelnen Arbeitsbereiches (AB) vom Einbringen auf dem unteren Niveau bis zum Erreichen des oberen Niveaus mindestens 2 Sekunden, bevorzugt mehr als 10 Sekunden dauert.Energy converter according to one of the preceding claims, characterized in that the pipe system is dimensioned such that the movement of an individual working area (AB) from introduction to the lower level to reaching the upper level takes at least 2 seconds, preferably more than 10 seconds. Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es an der Dichtung der Kolben (170) zwischen den einzelnen Arbeitsbereichen (AB) bzw. Arbeitsbereichen (AB) und Gewichtsbereichen (GB) Druckunterschiede von weniger als 0,001 MPa gibt.Energy converter according to one of the preceding claims, characterized in that there are pressure differences of less than 0.001 MPa at the seal of the pistons (170) between the individual working areas (AB) or working areas (AB) and weight areas (GB). Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben (170) eine aufgeraute, poröse Oberfläche aufweisen, die eine Blasenbildung des Arbeitsmittels fördert.Energy converter according to one of the preceding claims, characterized in that the pistons (170) have a roughened, porous surface which promotes the formation of bubbles in the working fluid. Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannung des Arbeitsdruckes (pA) sowie die Volumenvergrößerung der Arbeitsbereiche (AB) stufenlos erfolgt.Energy converter according to one of the preceding claims, characterized in that the relaxation of the working pressure (pA) and the increase in volume of the working areas (AB) occur continuously. Vorrichtung zur Umwandlung der thermischen Energie einer Niedertemperaturwärmequelle mit Temperaturen von maximal 200°C in zwei Schritten in technisch nutzbare mechanische Energie, gekennzeichnet durch, • mindestens einen ersten Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-7, der ein Arbeitsmittel (AM) unter Nutzung von thermischer Energie einer Niedertemperaturwärmequelle mit einer Temperatur von maximal 200°C durch Realisierung einer Entspannungsverdampfung nach dem TLC-Prozess von einem unteren Niveau auf ein oberes Niveau hebt und die vom Arbeitsmittel (AM) aufgenommene thermische Energie in potentielle Energie des Arbeitsmittels (AM) wandelt • einen zweiten Energiewandler (34), der unter Rückführung des Arbeitsmittels (AM) vom oberen auf das untere Niveau die gewonnene potentielle Energie als technisch nutzbare mechanische Energie abgibt. Device for converting the thermal energy of a low-temperature heat source with temperatures of a maximum of 200 ° C in two steps into technically usable mechanical energy, characterized by , • at least one first energy converter according to one of the preceding claims 1-7, which has a working medium (AM) using thermal energy from a low-temperature heat source with a temperature of a maximum of 200 ° C by realizing a flash evaporation according to the TLC process from a lower level to a raises the upper level and converts the thermal energy absorbed by the work equipment (AM) into potential energy of the work equipment (AM). • a second energy converter (34), which releases the obtained potential energy as technically usable mechanical energy by returning the working medium (AM) from the upper to the lower level. Vorrichtung (11) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens folgende Komponenten umfasst: • Einen Wärmetauscher (31) zur Übertragung der thermischen Energie einer Niedertemperaturwärmequelle mit Temperaturen von maximal 200°C an ein unter Dosierdruck (pD) stehendes flüssiges Arbeitsmittel (51) ohne Verdampfung des Arbeitsmittels • Thermisch isolierte Zuführungen (40), um das erwärmte Arbeitsmittel (52) einem ersten Energiewandler (21) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zuzuführen • Mindestens einen ersten Energiewandler (21) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Umwandlung der thermischen Energie des Arbeitsmittels (52) in potentielle Energie • Zuführungen (40), um das im ersten Energiewandler (21) flüssig gebliebene Arbeitsmittel (51) einem Sammel- und Pufferbehälter (33) zuzuführen • Zuführungen (40), um das im ersten Energiewandler (21) verdampfte Arbeitsmittel (54) einer Dampfverflüssigungsvorrichtung (32) zuzuführen • Eine Dampfverflüssigungsvorrichtung (32) zur Verflüssigung des verdampften Arbeitsmittels (54) • Zuführungen (40), um das verflüssigte Arbeitsmittel (51) einem Sammel- und Pufferbehälter (33) zuzuführen • Einen Sammel- und Pufferbehälter (33) zur Zusammenführung des im ersten Energiewandler (21) flüssig gebliebenen und des in der Dampfverflüssigungsvorrichtung (32) verflüssigten Arbeitsmittels (51) • Zuführungen (40), um das flüssige, kalte Arbeitsmittel (51) vom Sammelbehälter (33) unter Aufbau von statischem Druck einem zweiten Energiewandler (34) zuzuführen • Einen zweiten Energiewandler (34) zur Umwandlung der potentiellen Energie des Arbeitsmittels (51) in technisch nutzbare Energie • Zuführungen (40), um das noch unter Dosierdruck (pD) stehende Arbeitsmittel (51) vom zweiten Energiewandler (34) wieder dem Wärmetauscher (31) zuzuführen. Device (11) according to claim 8, characterized in that it comprises at least the following components: • A heat exchanger (31) for transferring the thermal energy of a low-temperature heat source with temperatures of a maximum of 200°C to a liquid working fluid (51) under metering pressure (pD) without evaporation of the working fluid • Thermally insulated feeds (40) to feed the heated working fluid (52) to a first energy converter (21) according to one of claims 1 to 8 • At least one first energy converter (21) according to one of claims 1 to 7 for converting the thermal energy of the working medium (52) into potential energy • Feeds (40) to feed the working fluid (51) that remained liquid in the first energy converter (21) to a collecting and buffer container (33). • Feeds (40) to feed the working medium (54) evaporated in the first energy converter (21) to a steam liquefaction device (32). • A vapor liquefaction device (32) for liquefying the evaporated working fluid (54) • Feeds (40) to feed the liquefied working fluid (51) to a collecting and buffer container (33). • A collecting and buffer container (33) for bringing together the working fluid (51) that remained liquid in the first energy converter (21) and the working fluid (51) that was liquefied in the steam liquefaction device (32). • Feeds (40) to feed the liquid, cold working fluid (51) from the collecting container (33) to a second energy converter (34) while building up static pressure • A second energy converter (34) for converting the potential energy of the work equipment (51) into technically usable energy • Feeds (40) to feed the working fluid (51), which is still under metering pressure (pD), from the second energy converter (34) back to the heat exchanger (31). Vorrichtung (13) nach dem Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, das sie mindestens folgende Komponenten umfasst: • Mindestens einen ersten Energiewandler (21) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Umwandlung der thermischen Energie eines unter Dosierdruck (pD) stehenden und erwärmten Arbeitsmittels (52) in potentielle Energie • Zuführungen (40), um das im ersten Energiewandler (21) flüssig gebliebene Arbeitsmittel (51) einem Sammel- und Pufferbehälter (33) zuzuführen • Zuführungen (40), um das im ersten Energiewandler (21) verdampfte Arbeitsmittel (54) einer Dampfverflüssigungsvorrichtung (32) zuzuführen • Eine Dampfverflüssigungsvorrichtung (32) zur Verflüssigung des verdampften Arbeitsmittels (54) • Einen Sammel- und Pufferbehälter (33) zur Zusammenführung des flüssig gebliebenen und des in der Dampfverflüssigungsvorrichtung (32) verflüssigten Arbeitsmittels (51) • Zuführungen (42), um das Arbeitsmittel (51) vom Sammel- und Pufferbehälter (33) einem Wärmetauscher (31) zuzuführen • Einen Wärmetauscher (31) zur Übertragung der thermischen Energie einer Niedertemperaturwärmequelle an ein flüssiges Arbeitsmittel (51) ohne Verdampfung des Arbeitsmittels bei gleichzeitigem Aufbau eines hohen statischen Druckes • Thermisch isolierte Zuführungen (42), um das flüssige, erwärmte und unter hohem Druck stehende Arbeitsmittel (52) vom Wärmetauscher (31) einem zweiten Energiewandler (34) zuzuführen • Einem zweiten Energiewandler (34) zur Umwandlung von potentieller Energie des erwärmten Arbeitsmittels (52) in technisch nutzbare Energie • Thermisch isolierte Zuführungen (40), um das erwärmte Arbeitsmittel (52) dem ersten Energiewandler (21) zuzuführen. Device (13) according to claim 8, characterized in that it comprises at least the following components: • At least one first energy converter (21) according to one of claims 1 to 7 for converting the thermal energy of a heated working medium (52) under metering pressure (pD) into potential energy • Feeds (40) to feed the working fluid (51) that remained liquid in the first energy converter (21) to a collecting and buffer container (33). • Feeds (40) to feed the working medium (54) evaporated in the first energy converter (21) to a steam liquefaction device (32). • A vapor liquefaction device (32) for liquefying the evaporated working fluid (54) • A collecting and buffer container (33) for bringing together the working fluid (51) that has remained liquid and that which has liquefied in the steam liquefaction device (32). • Feeds (42) to feed the working fluid (51) from the collecting and buffer container (33) to a heat exchanger (31). • A heat exchanger (31) for transferring the thermal energy of a low-temperature heat source to a liquid working fluid (51) without evaporation of the working fluid while simultaneously building up a high static pressure • Thermally insulated feeds (42) to feed the liquid, heated and high-pressure working fluid (52) from the heat exchanger (31) to a second energy converter (34). • A second energy converter (34) for converting potential energy of the heated working fluid (52) into technically usable energy • Thermally insulated feeds (40) to feed the heated working fluid (52) to the first energy converter (21). Vorrichtung (12,14) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zum Arbeitsmittel (AM) ein Gewichtsmedium (60) vom unteren auf das obere Niveau gehoben wird.Device (12, 14) according to one of claims 8 to 10, characterized in that, in addition to the working medium (AM), a weight medium (60) is lifted from the lower to the upper level. Vorrichtung (11-14) nach einem der Ansprüche 8-11, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere der ersten Energiewandler (21,22) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 parallel angeordnet sind, welche die anderen aufgeführten Komponenten gemeinsam nutzen und die mehreren ersten Energiewandler (21,22) individuell zu- oder abgeschaltet werden können.Device (11-14) according to one of claims 8-11, characterized in that several of the first energy converters (21, 22) according to one of claims 1 to 8 are arranged in parallel, which share the other listed components and the several first energy converters (21,22) can be switched on or off individually. Vorrichtung (11-14) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Kontroll- und Regelungssystem aufweist, welches die Anzahl der zu- oder abgeschalteten ersten Energiewandler (21,22) steuert und an Veränderungen der Temperatur der Niedertemperaturwärmequelle, der Kondensationstemperatur oder der verfügbaren Energiemenge der Niedertemperaturwärmequelle anpasst.Device (11-14) according to claim 12, characterized in that it has a control and regulation system which controls the number of switched on or off first energy converters (21, 22) and changes in the temperature of the low-temperature heat source, the condensation temperature or the adjusts the amount of energy available from the low-temperature heat source. Vorrichtung (11-14) nach einem der Ansprüche 8-13, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Kontroll- und Regelungssystem aufweist, welches die Menge des eingespeisten erwärmten Arbeitsmittels (52) und ggf. des Gewichtsmediums (60) reguliert und an Veränderungen der Temperatur der Niedertemperaturwärmequelle, der Kondensationstemperatur oder der verfügbaren Energiemenge der Niedertemperaturwärmequelle anpasst.Device (11-14) according to one of claims 8-13, characterized in that it has a control and regulation system which regulates the amount of heated working medium (52) and, if applicable, the weight medium (60) fed in and changes in temperature the low-temperature heat source, the condensation temperature or the available amount of energy of the low-temperature heat source. Verfahren zur Umwandlung der thermischen Energie eines durch die thermische Energie einer Niedertemperaturwärmequelle mit einer Temperatur von maximal 200°C erwärmten Arbeitsmittels (52) in potentielle Energie des Arbeitsmittels, umfassend die Schritte • Das warme, flüssige Arbeitsmittel (52) wird in einen ersten Energiewandler (21,22) gemäß einem der Ansprüche 1-7 eingebracht • Das warme, flüssige Arbeitsmittel (52) wird im ersten Energiewandler (21,22) in einem räumlich abgegrenzten Arbeitsbereich (AB) geführt • Die Arbeitsbereiche (AB) mit dem warmen, flüssigen Arbeitsmittel (52) werden im Energiewandler (21,22) von einem unteren Niveau auf ein oberes Niveau gehoben, wobei das Anheben des Arbeitsmittels (52) auf das obere Niveau durch isentrope Umwandlung der thermischen Energie des Arbeitsmittels (52) in Hubarbeit durch eine teilweise Entspannungsverdampfung des Arbeitsmittels (52) nach dem TLC2-Prozess erfolgt. Method for converting the thermal energy of a working medium (52) heated by the thermal energy of a low-temperature heat source with a maximum temperature of 200 ° C into potential energy of the working medium, comprising the steps • The warm, liquid working medium (52) is introduced into a first energy converter (21,22) according to one of claims 1-7 • The warm, liquid working fluid (52) is guided in the first energy converter (21,22) in a spatially delimited work area (AB). • The work areas (AB) with the warm, liquid working fluid (52) are raised from a lower level to an upper level in the energy converter (21, 22), the lifting of the working fluid (52) to the upper level by isentropic conversion of the thermal Energy of the working fluid (52) in lifting work occurs through partial flash evaporation of the working fluid (52) after the TLC2 process. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem erwärmten Arbeitsmittel (52) ein nicht erwärmtes Gewichtsmedium (60) thermisch isoliert von dem erwärmten Arbeitsmittel (52) in räumlich abgegrenzten Gewichtsbereichen (GB) auf das obere Niveau transportiert wird.Method according to claim 15, characterized in that, in addition to the heated working medium (52), a non-heated weight medium (60) is transported to the upper level in spatially delimited weight areas (GB) in a thermally insulated manner from the heated working medium (52). Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche 15 - 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlung der thermischen Energie des Arbeitsmittels (52) in potentielle Energie im Energiewandler (21,22) in mindestens 10, bevorzugt mehr als 20 voneinander unabhängigen, einzelnen Arbeitsbereichen (AB) erfolgt.Method according to one of the aforementioned claims 15 - 16, characterized in that the conversion of the thermal energy of the working medium (52) into potential energy in the energy converter (21, 22) in at least 10, preferably more than 20 independent, individual work areas (AB) he follows. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche 15 - 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlung der thermischen Energie des Arbeitsmittels (52) in potentielle Energie im ersten Energiewandler (21,22) kontinuierlich und stufenlos verläuft und damit eine selbsttätige Anpassung der p-V-Kennlinie des ersten Energiewandlers (21,22) an die p-V-Verdampfungskennlinie des verwendeten Arbeitsmittels erfolgt.Method according to one of the aforementioned claims 15 - 17, characterized in that the conversion of the thermal energy of the working medium (52) into potential energy in the first energy converter (21, 22) is continuous and stepless and thus an automatic adjustment of the pV characteristic of the first Energy converter (21,22) to the pV evaporation characteristic of the working fluid used. Verfahren zur Umwandlung der thermischen Energie einer Niedertemperaturwärmequelle mit einer Temperatur von maximal 200°C in einem geschlossenen Kreislauf in technisch nutzbare mechanische Energie, dadurch gekennzeichnet, das die Umwandlung in mindestens den Schritten erfolgt: • die thermische Energie der Niedertemperaturwärmequelle wird in einem ersten Schritt in einem Verfahren nach den Ansprüchen 16 - 19 in potentielle Energie umgewandelt • die potentielle Energie wird in einem zweiten Schritt in technisch nutzbare mechanische Energie umgewandelt. Method for converting the thermal energy of a low-temperature heat source with a temperature of a maximum of 200 ° C in a closed circuit into technically usable mechanical energy, characterized in that the conversion takes place in at least the following steps: • The thermal energy of the low-temperature heat source is converted into potential energy in a first step in a method according to claims 16 - 19 • In a second step, the potential energy is converted into technically usable mechanical energy. Verfahren nach Anspruch 19 mit zumindest den folgenden Verfahrensschritten: • Schritt a: Isobares Erwärmen eines unter Dosierdruck (pD) stehenden flüssigen Arbeitsmittels (51) aus einer Niedertemperaturwärmequelle ohne Verdampfung des Arbeitsmittels • Schritt b: Isentrope Umwandlung der aufgenommenen thermischen Energie in mindestens einem, bevorzugt mehreren ersten Energiewandler (21,22) gemäß Anspruch 1-7 in potentielle Energie des Arbeitsmittels • Schritt c: Isobares Kondensieren des verdampften Anteils des Arbeitsmittels (54) • Schritt d: Isochore Umwandlung der potentiellen Energie des Arbeitsmittels (51) in einem zweiten Energiewandler (34) in technisch nutzbare mechanische Energie. Method according to claim 19 with at least the following method steps: • Step a: Isobaric heating of a liquid working fluid (51) under metering pressure (pD) from a low-temperature heat source without evaporation of the working fluid • Step b: Isentropic conversion of the thermal energy absorbed in at least one, preferably several first energy converters (21, 22) according to claims 1-7 into potential energy of the working medium • Step c: Isobaric condensation of the evaporated portion of the working fluid (54) • Step d: Isochoric conversion of the potential energy of the working medium (51) in a second energy converter (34) into technically usable mechanical energy. Verfahren nach Anspruch 19 mit zumindest den folgenden Verfahrensschritten: • Schritt a: Isentrope Umwandlung der thermischen Energie eines unter Dosierdruck stehenden erwärmten Arbeitsmittels (52) in mindestens einem, bevorzugt mehreren ersten Energiewandler gemäß Anspruch 1-7 in potentielle Energie des Arbeitsmittels (51) • Schritt b: Isobares Kondensieren des verdampften Anteils des Arbeitsmittels (54) • Schritt c: Isochores Erwärmen des flüssigen Arbeitsmittels (51) bei gleichzeitiger Druckerhöhung aus einer Niedertemperaturwärmequelle ohne Verdampfung des Arbeitsmittels (52) • Schritt d: Isochore Umwandlung der potentiellen Energie des Arbeitsmittels (52) in einem zweiten Energiewandler (34) in technisch nutzbare mechanische Energie. Method according to claim 19 with at least the following method steps: • Step a: Isentropic conversion of the thermal energy of a heated working medium (52) under metering pressure in at least one, preferably several first energy converters according to claims 1-7 into potential energy of the working medium (51) • Step b: Isobaric condensation of the evaporated portion of the working fluid (54) • Step c: Isochoric heating of the liquid working fluid (51) with simultaneous pressure increase from a low-temperature heat source without evaporation of the working fluid (52) • Step d: Isochoric conversion of the potential energy of the working medium (52) in a second energy converter (34) into technically usable mechanical energy.
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