DE10221145A1

DE10221145A1 - Wärmekraftmaschine mit interner Wärmesenke

Info

Publication number: DE10221145A1
Application number: DE2002121145
Authority: DE
Inventors: Juergen Uehlin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-05-11
Filing date: 2002-05-11
Publication date: 2003-11-20

Abstract

Um in einem Kreisprozess eine Wärmekraftmaschine betreiben zu können, benötigt man eine Wärmequelle und eine Wärmesenke. Am Ort der Wärmequelle wird thermische Energie an einen Wärmeträger übertragen. In der Wärmesenke wird der Wärmeträger auf eine niedrigere Temperatur abgekühlt. Zwischen diesen beiden Polen kann Arbeit verrichtet werden. Der sogenannte Carnot-Prozess beschreibt die physikalischen Gesetze dieses Kreisprozesses und die Bedingungen, damit er funktioniert. Daraus ergibt sich die Forderung nach einer möglichst großen Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke. DOLLAR A Bei Wärmequellen mit niederen Temperaturen ist es oft problematisch, eine passende Wärmesenke zu finden. Zusätzlich wird durch die Wärmesenke ein erheblicher Teil der Wärmeenergie ungenutzt aus dem Kreislauf entfernt. Vorgeschlagen wird die Verwendung einer internen Wärmesenke, die überwiegend durch die Änderung des Aggregatzustandes eines Kältemittels bzw. kryogenen Gases von der Wärmekraftmaschine selbst erzeugt wird.

Description

Eine wichtige Aufgabe im Rahmen des Umweltschutzes ist die Reduzierung der Wärmebelastung von Gewässern. Bis heute werden fast alle großen Kraftwerke (alle Atomkraftwerke) Stahlwerke und Chemieanlagen an Flüssen gebaut um kostengünstig Kühlwasser nutzen zu können Zusätzlich kommen riesige Kühltürme zum Einsatz.
Mit der vorgeschlagenen Erfindung wird aus dieser problematischen Altlast in Zukunft eine Ressource die in ihrem Wert noch gar nicht bezifferbar ist. Die Energiereserven die sich dadurch erschließen lassen übertreffen die bekannten fossilen Lager um ein vielfaches. Die Schiffahrt könnte in Zukunft ihre Antriebsenergie zum Nulltarif direkt aus dem Wasser beziehen (bei den modernen doppelwandigen Schiffen und bei U-Booten kann die Außenwand als Wärmetauscher benutzt werden) Wasserkraftwerke können damit dem Wasser zusätzlich zur kinetischen Energie auch noch thermische Energie entziehen (die geothermische Konstante beträgt etwa 50 Watt/m²) Würden an den Küsten derartige thermische Kraftwerke installiert, könnte weltweit die gesamte Energieversorgung damit gedeckt werden. Zukünftig werden Eisbahnen, Kühl- und Kälteanlagen und vor allem die energiehungrigen Klimaanlagen zu Kraftwerken die nicht nur sich selbst versorgen, sondern auch Strom im Überfluß produzieren. Auch in Kraftfahrzeugen könnten entsprechende Aggregate in Zukunft vor allem in den Parkzeiten Strom produzieren mit dem (Fahr)- Batterien geladen oder elektrolytisch Wasserstoff als umweltfreundlicher Treibstoff hergestellt wird, wobei die Fahrzeugoberseite als Wärmequelle genutzt werden könnte. Im Fahrbetrieb würde der heutige Kühler samt Abgassystem als weitere Wärmequelle zur Verfügung stehen.
Um in einem Kreisprozess eine Wärmekraftmaschine betreiben zu können benötigt man eine Wärmequelle und eine Wärmesenke. Am Ort der Wärmequelle wird thermische Energie an einen Wärmeträger übertragen. In der Wärmesenke wird der Wärmeträger auf eine niedrigere Temperatur abgekühlt. Der sogenannte Carnot-Prozess beschreibt die physikalischen Gesetze dieses Kreisprozesses und die Bedingungen damit er funktioniert. Daraus ergibt sich die Forderung nach einer möglichst großen Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke. Bei Wärmequellen mit niederen Temperaturen ist es oft problematisch eine passende Wärmesenke zu finden. Zusätzlich wird durch die Wärmesenke ein erheblicher Teil der Wärmeenergie ungenutzt aus dem Kreislauf entfernt. Dieses Verfahren ist leistungssenkend und wirkungsgradverschlechternd.
Zur Verbesserung des Verfahrens wird vorgeschlagen, daß die Wärmesenke intern im bzw. durch das Aggregat selbst hergestellt werden soll. Erfindungsgemäß geschieht dies dadurch, daß ein Wärmeträgerfluid, z. B. CO₂, Stickstoff, Sauerstoff, Luft, Flüssiggase wie Butan, Propan oder Gasgemische oder Kälteflüssigkeiten (Rxx), etc., in einem separaten Kreislauf zum Beispiel nach dem Linde-Verfahren komprimiert und kondensiert wird. Die bei der Entspannung des verdichteten Gases entstehenden tiefen Temperaturen bilden die interne Wärmesenke. Die Kühlung des Gases nach dem Verdichtungsvorgang bewirkt die Wärmequelle. Dadurch bleibt die gesamte Energie innerhalb des Systems. Je nach verwendetem Wärmeträgerfluid kann auch bei relativ kalten Wärmequellen von z. B. 0°-20°C noch eine hohe Temperaturdifferenz von weit mehr als 100°C zwischen Wärmequelle und Wärmesenke erreicht werden. Vorzugsweise wird die Entspannung des verdichteten Gases in einer Expansionsmaschine durchgeführt. Das kann auch eine Turbine sein. Damit wird ein großer Teil der Verdichtungsarbeit zurückgewonnen. Die Expansionsmaschine kann beispielsweise einen Generator antreiben oder und den Verdichter.
Des weiteren läßt sich mit einer derartig konfigurierten Anlage wahlweise mechanische Energie, Elektrizität und/oder Wärme produzieren. Die Hilfseinrichtungen, z. B. Umwälzpumpe für das primäre Wärmeträgerfluid, Solepumpe, Speisepumpe, etc. werden vorzugsweise elektrisch angetrieben, können aber auch mechanisch gekoppelt sein.
Die Anpassung der Gerätekonfiguration an die spezifischen Betriebsbedingungen hat unter anderem den Vorteil der einfachen Dimensionierung und der Reduzierung von Bauteilen.
Werden entsprechende Steuer- oder Regelsysteme verwendet kann das Verhalten (Druck, Drehzahl, Temperatur, Ausgangsleistung, Spannung, Frequenz, Leistungsverteilung, etc.) des Aggregates bzw. der Komponenten beeinflußt werden.
Zeichnung 1 zeigt das Funktionsschaubild eines möglichen Ausführungsbeispieles.
Fig. 1 zeigt den Verdampfer/Wärmetauscher in dem die Kreisläufe beginnen. Das gasförmige Fluid strömt aus dem Verdampfer/Wärmetauscher (Fig. 1) in die Expansionsmaschine (Fig. 4) In der Expansionsmaschine gibt das Gas durch Arbeit Energie ab und seine Temperatur sinkt. Nach verlassen der Expansionsmaschine wird das Gas, soweit das nicht schon vorher geschehen ist, im Kondensator (Fig. 6) verflüssigt. Die Speisepumpe (Fig. 7) fördert das Fluid wieder in den Verdampfer/Wärmetauscher (Fig. 1) zurück. Der zweite Kreislauf beginnt im Kondensator/Verdampfer (Fig. 6). Das gasförmige Fluid strömt aus dem Kondensator/Verdampfer (Fig. 6) in den von der Expansionsmaschine (Fig. 4) angetriebenen Verdichter (Fig. 2) wo es auf einen höheren Druck und damit gleichzeitig auf eine höhere Temperatur gebracht wird. Im Verdampfer/Wärmetauscher (Fig. 1) wird die Wärme an den ersten Kreislauf abgegeben und dabei das Gas gekühlt. Von hier strömt es in die nächste Verdichterstufe (Fig. 3) und danach wieder in den Verdampfer/Wärmetauscher (Fig. 1). Je nach Gasart und gewünschtem Enddruck können beliebig viele Stufen aneinander gereiht werden. Das verdichtete und gekühlte Gas strömt weiter in den Kondensator/Verdampfer wo es durch eine Blende oder weitere Expansionsmaschine entspannt wird und dabei mit Temperaturverlust kondensiert. Die Expansionsmaschine (Fig. 7) treibt die Verdichter an.
Bei Bedarf kann über den ebenfalls von der Expansionsmaschine angetriebenen Generator Elektrizität produziert werden.
Mit den bei Wärmekraft- und Kältemaschinen üblichen Zusatzaggregaten, Steuer- und Regelsystemen lassen sich bei Bedarf auch die Betriebsbedingungen der vorgeschlagenen Vorrichtung beeinflussen.

Claims

1. Verfahren zum Betrieb einer Wärmekrafimaschine, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Betrieb notwendige Wärmesenke vom Aggregat selbst produziert wird.

2, Verfahren/Vorrichtung zum Betrieb einer Wärmekraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Wärmesenke eine Gasverflüssigungseinrichtung verwendet wird.

3. Verfahren/Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasverflüssigungseinrichtung thermisch zumindest teilweise in die Wärmekraftmaschine integriert wird.

4. Verfahren/Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke zumindest teilweise durch die Verdampfung von Kälteflüssigkeit hergestellt wird.

5. Verfahren/Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke zumindest teilweise durch die Verdampfung von Wärmeträgerflüssigkeit hergestellt wird

6. Verfuhren/Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die im Gasverflüssigungskreislauf anfallende Abwärme zumindest teilweise in der Wärmekraftmaschine genutzt wird.

7. Verfahren/Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kreisläufe nebeneinander betrieben werden.

8. Verfahren/Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmekrafimaschine eine Expansionsmaschine ist.

9. Verfahren/Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionsmaschine einen Generator antreibt.

10. Verfahren/Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionsmaschine eine Abnahmestelle für mechanische Energie anbietet.

11. Verfahren/Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionen des Aggregates durch Steuereinrichtungen beeinflußbar sind.

12. Verfahren/Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionen der Hilfseinrichtungen durch Steuereinrichtungen beeinflußbar sind.

13. Verfahren/Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es in einem Fahrzeug verwendet wird.

14. Verfahren/Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug ein Wasserfahrzeug ist.

15. Verfahren/Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug ein spurgebundenes Fahrzeug ist.

16. Verfahren/Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug ein oberflächengebundenes Fahrzeug ist.

17. Verfahren/Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug ein Luftfahrzeug ist.

18. Verfahren/Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug ein Raumfahrzeug ist.

19. Verfahren/Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der (Wärme)Energie zum Antrieb verwendet wird.

20. Verfahren/Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasentspannung durch mindestens eine Expansionsmaschine bewirkt wird.