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Kraftmaschine Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Umwandlung
von Wärmeenergie in nutzbare mechanische Energie sowie auf die Ausgestaltung einer
Kraftmaschine zur Anwendung dieses Verfahrens.
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Kraftmaschinen zur Umwandlung von Energie sind bereits in einer grossen
Anzahl unterschiedlicher Ausgestaltungen vor allem als Wasserkraft- und Wärmekraftmaschinen
bekannt. Die als Verbrennungsmotoren sowie Dampfmaschinen und Dampfturbinen vielfach
bekannten Wärmekraftmaschinen bedürfen, um einen wirtschaftlichen Getrieb zu ermöglichen,
stets ein grosses Wärmegefälle des @rbeitsmediums, das oftmals nur mit aufwendigen
SIitteln geschaffen werden kann.
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Es ist zwar bekannt, die thermische Energie des Meeres zu nutzen,
die insbesondere in tropischen Ozeangebieten durch das starke vertikale Wärmegefälle
zwischen dem warmen Oberflächenwasser
und dem kalten Wasser in
der Tiefe besteht.
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Dabei wird in zwei miteinander verbundenen Behältern, von denen der
eine warmes und der andere kaltes Wasser enthält, ein Vakuum erzeugt, so dass das
Wasser in dem warmen Behälter zu sieden beginnt. Der entstehende Dampf wird zum
kalten Behälter geleitet und dort wieder kondensiert. Wird nun aa einer Stelle des
Verbindungsrohres eine Dampfturbine eingesetzt, so kann die Bewegungsenergie des
Dampfes in mechanische Arbeit umgewandelt werden.
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Die technische Ausführung dieses Kreislaufes ist recht kompliziert,
auch gestaltet sich die Entnahme des kalten Wassers aus einigen hundert Knetern
Tiefe nicht einfach und durch das Aufpumpen werden erhebliche Energietengen verbraucht,
so dass derartige Anlagen von Fachleuten vorerst nicht als realisierbar angesehen
werden. Ausserdem sind zur Kondensierung des Niederdruckdampfes verhältnismässig
grosse Wassermengen erforderlich. Entsprechend gross dimensionierte Ansaugrohre
müssen daher ins Meer abgesenkt und dort befestigt werden.
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Für die Errichtung derartiger Kraftwerke kommen nur tropische Küstenstellen
mit steil abfallendem Meeresgrund in Frage.
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Bisher wurde nur eine einzige Anlage dieser Art gebaut.
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Ein Verfahren zur Nutzung kleiner Temperaturunterschiede zur Energieumwandlung
sowie eine Vorrichtung dazu wurde bereits durch die DT-OS 2 118 824 bekannt. Eine
wirtschaftliche industrielle Anwendung dieses Verfahrens ersche cit aber nicht realisierbar.
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Es ist demnach Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Umwandlung
von Wärmeenergie in nutzbare mechanische Energie sowie eine Kraftmaschine zur Anwendung
dieses Verfahrens zu schaffen, wobei ein neuer Weg beschritten wird. Dabei soll
vor allem ein wirtschaftlicher Einsatz auch bei kleinen Temperaturdifferenzen
ohne
grossen Bauaufwand möglich sein.
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Gemäss der Erfindung wird dies dadurch erreicht, dass eine niedersiedende
Flüssigkeit in einem Arbeitskreis mit Wärme angereichert und in Gas übergeführt
wird, dass das Gas einer Arbeitsmaschine zuströmt und in dieser expandiert und dass
das aus der Arbeitsmaschine ausströmende Gas vorzugsweise über einen Vorratsbehälter
und/oder eine Speisepumpe in den Kreislauf eingegeben wird.
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Des weiteren ist es sehr vorteilhaft, den Arbeitskreis in zwei von
einander getrennte, jeweils mit niedersiedenden Flüssigkeiten versehene Abschnitte
zu unterteilen, die über einen oder mehrere Wärmetauscher miteinander verbunden
sind.
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Dabei kann der unmittelbar Wärmeenergie aufnehmende erste Abschnitt
des Arbeitskreises mit einer oder mehreren Wärmepumpen und der diesem nachgeschaltete
zweite Abschnitt mit einer oder mehreren Speisepumpen ausgestattet werden.
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Dabei kann es'ferner zweckmässig sein, der Arbeitsmaschine eine in
den Arbeitskreis eingesetzte Dampfstrahlpumpe vorzuschalten und die Restwärme des
aus der Arbeitsmaschine abströmenden Gases über einen Wärmetauscher der dem Wärmeträger
oder der Dampfstrahlpumpe zuzuleitenden niedersiedenden Flüssigkeit zuzuführen.
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Die Kraftmaschine zur Umwandlung von Wärme energie in nutzbare mechanische
Energie ist dadurch gekennzeichnet, dass ein in sich geschlossener eine niedersiedende
Flüssigkeit enthaltender Arbeitskreis vorgesehen ist, in den ein oder mehrere einem
Wärmeträger auszusetzende Wärmetauscher zur Umwandlung der niedersiedenden Flüssigkeit
in Gas sowie eine oder mehrere Arbeitsmaschinen zur Entspannung des Gases eingesetzt
sind.
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Dabei ist es zweckmässig, den Arbeitskreis mit einem oder mehreren
den ;[ärmetauschern vorgeschalteten Vorratsbehältern und/oder Speisepumpen zu versehen,
dem Wärmetauscher Hilfsaggregate zur Förderung des Wärmeüberganges, bei Verwendung
von Luft als Wärmeträger beispielsweise einen Ventilator,zuzuordnen und der Arbeitsmaschine
einen Wärmetauscher nachzuschalten, durch den zur Vorwärmung der niedersiedenden
Flüssigkeit der Arbeitskreis geführt ist.
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Nach einer sehr vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, den Arbeitskreis
in zwei voneinander getrennte, niedersiedende Flüssigkeiten enthaltende Abschnitte
zu unterteilen, die über einen oder mehrere Wärmetauscher miteinander verbunden
sind.
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Der Arbeitsmaschine kann ferner eine Dampfstrahlpumpe vorgeschaltet
werden, die unmittelbar und über einen zweiten in der Rücklaufleitung der Arbeitsmaschine
angeordneten Wärmetauscher an die dem Wärmeträger ausgesetzten Wärmetauschern angeschlossen
ist.
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Zur Erhöhung des Wärmegefälles, insbesondere bei Inbetriebnahme, ist
es des weiteren angebracht, in die Rücklaufleitung der Arbeitsmaschine einen Vorkühler
einzusetzen.
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Die Wärmetauscher sind zweckmässigerweise jeweils aus zwei mit Abstand
ineinander gehaltenen Hohlprofilen, von denen eines vorzugsweise profiliert ist,
herzustellen.
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Mit Hilfe des erfindungsgemässen Verfahrens bzw. der Kraftmaschine
zur Anwendung des Verfahrens ist es auf sehr einfache Weise möglich, ein geringes
Temperaturgefälle zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie zu nutzen.
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Dazu sind keine aufwendigen Aggregate, erforderlich, vielmehr
können
dazu bekannte Maschinen und Wärmetauscher zu den Arbeitskreisen zusammengesetzt
werden. Ein störungsfreier und auch wartungsfreier Betrieb ist somit gegeben.
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Zur Umwandlung der Wärmeenergie in nutzbare mechanische Energie ist
lediglich die in den Arbeitskreisen enthaltene niedersiedende Flüssigkeit - als
niedersiedende Flüssigkeiten können die bisher als Kältemittel verwendeten Frigene,
des weiteren auch Aethylen, Propan, Ammoniak u.ähnl. Kältemittel verwendet werden
- durch Wärmeeinwirkung in Gas überzuführen, das in einer Arbeitsmaschine herkömmliche
Art expandiert. Auf diese Weise sind wirtschaftlich auch geringe Wärmegefälle, da
die niedersiedenden Flüssigkeiten bereits bei geringen Temperaturdifferenzen in
Gas überzuführen sind, auszunutzen, z.B. lässt sich die in Abwässern enthaltene
Wärmeenergie in nutzbare mechanische Energie problemlos umwandeln.
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Weitere Einzelheiten sind dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
von Kraftmaschinen zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie zu entnehmen.
Hierbei zeigt, jeweils in schematischer Darstellung: Fig. 1 einen einteiligen Arbeitskreis,
Fig. 2 einen zweiteiligen Arbeitskreis, Fig. 3 eine andersartige Ausführungsform
eines Arbeitskrqises nach Fig. 2 und Fig. 4 einen Teil eines bei den Ausführungsbeispielen
nach Fig. 1 bis 3 verwendeten Wärmetauschers.
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Die in Fig. 1 dargestellte Kraftmaschine zur Umwandlung von Wärmeenergie
in nutzbare inechanische Energie besteht aus einem
in sich geschlossenen
rbeitsreis 11, der eine niedersiedende Flüssigkeit enthält. Der )rbeitskreis 11
ist hierbei mit einem Wärmetauscher 12, der von einem Wärmeträger 13 durchströmt
wird, z.B. kann mit Hilfe eines Ventilators 14 warme Luft durch den Wärmetauscher
12 hindurchgesaugt werden, und einer Arbeitsmaschine 15 ausgestattet, die mit einem
Steuerventil 16 versehen ist.
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Wird der aus einem Vorratsbehälter 17 über ein Drosselventil 19 in
den Wärmetauscher 12 einströmenden niedersiedenden Flüssigkeit Wärme zugeführt,
so wird die Flüssigkeit in Gas umgewandelt. Bei dieser Umwandlung entsteht je nach
dem zur Verfügung stehenden Wärmegefälle zwischen dem Vorratsbehälter, der als Kältepol
anzusehen ist, und dem Wärmetauscher 12, der den Wärmepol bildet, ein relativ hoher
Gasdruck.
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In der Arbeitsmaschine 15 expandiert das Gas, so dass dort die aufgenommene-
Wärme energie in mechanische Energie umgewandelt wird. Die in dem von der Arbeitsmaschine
15 ausgestossenen Gas enthaltene Restwärme wird mittels eines Wärmetauschers 20
zum Vorwärmen der niedersiedenden Flüssigkeit ausgenutzt und übei das Rückschlagventil
18.dem Behälter 17 wiederum zugeführt.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es erforderlich, da eine Restwärme
vorhanden ist, dass die niedersiedende Flüssigkeit in dem Vorratsbehälter 17, dessen
Rücklauf durch das Rückschlagventil 18 abgesichert ist, unter Druck steht. Die niedersiedende
Flüssigkeit bzw. das Gas entspannt sich bzw.
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kondensiert vollständig erst nach dem Durchströmen des Drosselventils
19. wird anstelle des Vorralzbehälters 17, wie es alternativ in Fig. 1 eingezeichnet
wurde, eine Speisepumpe 21 in den Kreislauf 11 eingeschaltet, kann die in dem Wärmetauscher
20 kondensierte Flüssigkeit weitergepumpt werden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig'. 2 ist der Arbeitskreis 41 in
zwei voneinander'getrennte Abschnitte 42 und 43 unterteilt, die jeweils mit niedersiedenden
Flüssigkeiten versehen sind. In den Abschnitt 42 ist hierbei ein Wärmetauscher 45,
der z . B. mit Ililfe eines Ventilators 46 von einem Wärmeträger 44 durchströmt
wird, sowie ein weiterer Wärmetauscher 48, an den der zeite Abschnitt 43 angeschlossen
ist, eingesetzt.
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Ausserdem ist der Abschnitt 42 mit einer Wärmepumpe 47 ausgestattet,
um das dem Wärmetauscher 48 zuströmende aus der niedersiedenden Flüssigkeit umgewandelte
Gas auf ein höheres Wärmeniveau zu brinL,en.
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In dem Wärmetauscher 48 kondensiert das Gas und gibt dabei die Wärmeenergie
an die niedersiedende Flüssigkeit des zweiten Abschnittes 43 ab. Über ein Drosselventil
49 strömt die kondensierte Flüssigkeit erneut dem Wärmetauscher 45 zu.
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Die niedersiedende Flüssigkeit des Abschnittes 43 wird in dem Wärmetauscher
48 in hochgespanntes Gas übergeführt, das über ein Regelventil 52 zur Regelung der
Arbeitsgeschwindigkeit und ein Wegeventil 51 einer Arbeitsmaschine 50 zuströmt.
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Dort expandiert ds s Gas, so dass in der Arbeitsmaschine 50 die in
dem Wärmetauscher 45 aufgenommene Wärmeenergie in mechanische @nergie umgewandelt
wird. In einem nachgeschalteten Wärme tauscher 5 kondensiert das Gas wiederum und
die niedersiedende Flüssigkeit wird mittels einer Speisepumpe 54 erneut in den Wärmetauscher
48 gepumpt.
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Die Unterteilung es rbeitskreises 41 in zwei Abschnitte 42 und 4);
hat den Vorteil, dass die Anlage sehr leicht in Betrieb genommen werden kann. Die
Wärmepumpe 47 kann namlich ohne Schwierigkeiten zunächst unabhängig von der Arbeitsmaschine
50 angetrieben und somit rasch ein höheres Wärmegefälle erzeugt werden. ach Inbetriebnahme
der @rbeitsmaschine
50 ist sodann die Wärmepumpe 47 an diese anzukuppeln.
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In dem @rbeitskreis 1 gemäss Pig. 3 wird einem die niedersiedende
Flüssigkeit enthaltenen Kessel 62 über einen Wärmeträger 63 Wärmeenergie zugeführt.
@er mit einem Wegéventil 65 ausgestatteten Arbeitsmaschine 64 ist hierbei eine Dampfstrahlpumpe
70 vorgeschaltet, der der hochgespannte Dampf aus dem Kessel 62 zuströmt. Ausserdem
ist die Dampfstrahlpumpe an einen Wärmetauscher @@ angeschlossen, der in die von
der Arbeitsmaschine 64 zum Kessel 62 führenden Rückleitung eingesetzt ist.
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lurch die Dampfstrahlpumpe 70 wird somit aus dem Wärmetauscher 66,
der mit einer Vakuumisolierung 67 versehen und über ein Drosselventil 68 mit dem
Kessel 62 verbunden ist, Niederdruckdampf angesaugt und beide Dämpfe strömen als
Mitteldruckdampf der Arbeitsmaschine 64 zu. Die in dem von dieser ausgestossenen
Dampf enthaltene Restwärme wird in dem Gegenstromwärmetauscher 66 wiederum dem Kreislauf
zugeführt, gleichzeitig kondensiert der ausg@stossene Dampf in dem Wärmetauscher
66 und wird über das Rückschlagventil 69 von der Arbeitsmaschine 64 oder mit IIilfe
einer Speisepumpe 73 in den Kessel L-2 zurückgedrückt.
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Bei dieser Anlage iEt somit kein eigentlicher Kältepol vorhanden,
da keine Wärme aus dem Kreislauf abgegeben wird. Die eingespeiste Wärme wird, abgesehen
von Strahlungsverlusten, vollständig in mechanische Energie umgewandelt. Die Dampfstrahlpumpe
70 ist deshalb vorgesehen, da zum Erreichen einer tiefen Verdampfungstemperatur
ein - niederer Dampfdruck notwendig ist.
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In die Rücklaufleitung der Arbeitsmaschine 64 kann ein Vorkühler 71
eingebaut werden. Der Vorkühler 71 dient hierbei zum Anfahren, bis der ärmetauscher
66 seine Betriebskälte erreicht hat. Ausserdem kann, wie es strichpunktiert eingezeichnet
wurde, zwischen der Dampfstrahlpumpe 70 und der Arbeitsmaschine 64 ein weiterer
Wärmetauscher 72 eingeschaltet
werden, um gegebenenfalls zusätzlich
Wärme aufzunehrnen.
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i:ls Wärmetauscher sind zweckmässigerweise jeweils zwei mit Abstand
ineinander gehaltene Hohlprofile 81 und 82 zu verwenden, wie dies in Fi. 4 dargestellt
ist. Das Profil 82 ist hierbei profiliert ausbebildet. Das innere Rohr 81 dient
z.B. zum Durchleiten des Abdampfes. Dabei wird die in diesem noch enthaltene Restwärme
von der durch das Rohr 82 strömenden niedersiedenden Flüssigkeit entzogen und der
Dampf kondensiert.
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Als Wärmeträger dienen in vorteilhafter Weise jeweils Medien mit einer
Temperatur bis etwa 80° C. Verwendbare Medien sind insbesondere die erhitzten Abwässer
von Kernkraftwerken oder konventionellen Wärmekraftwerken, des weiteren Grund- und
Flusswasser, erwärmte Luft sowie das Fieber. Selbstverständlich ist auch eine Anwendung
bei der Raumfahrt ohne weiteres möglich, wobei der Kältepol im Schatten des Satelliten
anzuordnen und der Wärmepol dem Sonnenlicht auszusetzen ist, sa dass eine ausreichend
grosse Temperaturdifferenz gewährleistet ist. Je nach einsatz des jeweiligen Kältemittels
kann das vorhandene Temperaturgefälle optimal wählt werden. Als krbeitsmaschinen
sind-herkömmliche Motoren aller Art, mittels denen eine Expansion des Gases vorgenommen
werden kann, verwendbar.