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Strömungstechnische Kraftanlage zur Verwertung
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niedriger thermodynamischer Potentiale Die Erfindung betrifft eine
strömungstechnische Kraftanlage zur verwertung niedriger Energiepotentiale zur Energiegewinnung,
insbesondere zur Elektrizitätserzeugung, mit der auch Ab- und Restwärme verschiedensten
Ursprungs verwertet werden können.
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Die Haltung des Lebensstandards und Durchführung industrieller Prozesse
erfordert Energie, die heute und in Zukunft in ausreichendem Maße zur Verfügung
gestellt werden muß, und zwar zu einem volkswirtschaftlich vertretbaren Preis. Die
überwiegend benötigten Energiearten sind: Wärme, Elektrizität und mechanische Energie.
Die gebrauchte Energie wurde und wird fast ausschließlich von fossilen Brennstoffen
- Kohle, Erdöl, Erdgas -geliefert. Um den Bedarf an mechanischer und elektrischer
Energie zu decken, wird ein erheblicher Teil der fossilen Brennstoffe in Wärmekraftprozessen
umgewandelt.
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Nun stehen aber die fossilen Brennstoffe nicht in unbegrenzter Menge
zur Verfügung. Die Vorkommen erschöpfen sich, und zwar um so schneller je mehr Energiebedarf
und -verbrauch zunehmen. Mit der Energiequelle versiegt gleichzeitig auch eine wertvolle
Rohstoffquelle für die chemische und pharmazeutische Industrie. Für den Energiehaushalt
ist ferner nachteilig, daß alle Wärmekraftprozesse nur mit einem geringen Wirkungsgrad
ablaufen, so daß bei der Energieumwandlung wesentlich mehr Primärenergie (fossile
Brennstoffe) eingesetzt werden muß, als an mechanischer und elektrischer Energie
gewonnen wird. Ein Großteil der eingesetzten Primärenergie geht ungenutzt verloren,
und sie belastet zudem als Abwärme die Umwelt.
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Die entwicklung des Energieverbrauchs, die Situation auf dem Rohenergiemarkt,
die hohen Investitionskosten und nicht zuletzt
der Zwang zur Wiederherstellung
einer gesunden Umwelt machen es demnach erforderlich, nicht nur eine bessere Energienutzung
anzustreben, sondern vor allem auch neue Energiequellen zu erschließen.
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Es hat nicht an Versuchen gefehlt, den Gesamtwirkungsgrad kalorischer
Kraftwerke zu erhöhen. Mittlerweile ist der Kraftwerksprozeß so verfeinert und verbessert
worden, daß heute kaum noch Ansatzpunkte für Wirkungsgradverbesserungen gegeben
sind ( ENERGIE 25(1975)Heft 10 S.286). Dies zeigt sich auch in der Entwicklung des
spezifischen Wärmeverbrauchs von Kraftwerken, der sich seit etwa 1920 asymptotisch
einem unteren Grenzwert von ca. 2000 kcal/ kWh nähert (während das Wärmeäquivalent
860 kcal/kWh beträgt).
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Es wurde auch versucht, die Abwärme, die nichtumwandelbare Wärmeenergie,
deren Absolutbetrag infolge des rapide wachsenden Strombedarfs steil ansteigt, zu
nutzen. Eine Ausnutzung der Wärme zu Heizzwecken scheitert in der Regel am Fehlen
von Verbrauchern genügender Größe in der Nähe der Abwärmequellen, und eine Umsetzung
in Kraftanlagen ist wegen des niedrigen Temperaturniveaus kaum möglich: Es wäre
nur eine geringe spezifische Leistung zu erzielen und auch das nur bei verhältnismäßig
großen und kostspieligen Anlagen. Da Möglichkeiten für eine wirtschaftliche Nutzung
dieser Wärmeenergien fehlen, muß diese Wärme direkt an die Flüsse oder über Kühltürme
an die Atmosphäre abgegeben werden (ENERGI} 25(1973)Heft 4 S.109). Eine Betrachtung
möglicher Energiequellen zeigt, daß Wasserkräfte nur wenig Bedeutung haben werden,
die Gravitation wohl in Gezeitenkraftwerken genutzt werden könnte, die Erdwärme
und der auf die Erdoberfläche auftreffende Lichtstrom kaum praktisch verwertbar
sind (ENERGIE 25(1973)Heft 9 S.258). In der Bundesrepublik befinden sich gesicherte
Vorräte an Wasserkraft von 24 IWh (ENERGIE ?5(1973) Heft 11 S. 306), deren Ausbeutedauer
unbegrenzt ist. Vergleicht man aber damit die Stromerzeugung der BRD im Jahre 1972
in Höhe von 275 TWh, erkennt man die minimale Bedeutung der Wasserkraft.
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Als einzige wirklich unerschöpfliche Energiespenderin muß, solange
die Kernfusion noch nicht sichergestellt ist, die Sonneneinstrahlung angesehen werden.
Ihrer wirtschaftlichen Nutzung
stehen aber große Hemmnisse im Wege:
Nutzungsdauer und -intensität sind von der Tageszeit, Jahreszeit und von den Witterungsverhältnissen
abhängig; sie steht nicht kontinuierlich zur Verfügung; kostspielige und große Speicheranlagen
sind erforderlich; zur Zeit des größten Wärmebedarfs (Winter) ist das Angebot an
Sonnenenergie am geringsten; wegen der geringen Energiedichte ist bei größerem Energiebedarf
eine große Einstrahlungsfläche erforderlich; soll Sonnenenergie in thermodynamischen
Kraftprozessen verwendet werden, muß das Sonnenlicht gesammelt werden, die enorm
große Reflektorfläche erfordert zu allem anderen einen großen Aufwand, um die stark
leistungsmindernde Beschlagung und Verstaubung zu beseitigen. Die indirekte Nutzung
der als Wärme und kinetische Energie in der Luft, im Wind enthaltenen Sonnenenergie
ist wegen der starken Schwankung der Windgeschwindigkeit und des niedrigen Energieniveaus
ebenfalls kaum und wenn nur punktuell nutzbar.
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Die natürlichen Wärme- und Energiequellen sind somit bei Anwendung
der heute üblichen Technologien kaum in der Lage, die Energiesituation entscheidend
und langfristig zu bessern, weil sie entweder nicht ergiebig genug sind oder bei
einem enormen finanziellen Aufwand nur einen geringen Leistungsgrad besitzen.
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Trotzdem ist die Sonnenenergie die einzige wirklich unerschöpfliche
Energiequelle, die auch ausreichend Energie liefern könnte.
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Nach einer Wärmebilanz der Erde (PPI Nur.1/1974 S.8 in: ENERGIE 26(1974)Heft
2) gehen ca. 44 ,96 der Sonneneinstrahlung direkt, über Rückstrahlung und durch
konvektive Wärmeabgabe des Bodens und des Meerwassers in die Atmosphäre, erwärmen
sie und werden über Luftturbulenzen, Winde mehr oder weniger verteilt. Die Sonnenenergie
ist als kinetische und als thermische innere Energie in der Atmosphäre, in der Luft
vorhanden und stellt insgesamt ein riesiges Energiereservoir dar.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Technologie zu
entwickeln, mit der die unerschöpflichen Wärmemengen von niedriger Temperatur -
Sonnenenergie, industrielle Ab- und Restwärmen - zur wirtschaftlichen Energiegewinnung,
insbesondere zur Elektrizitätserzeugung verwendet werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß durch strmungstechnische
Maßnahmen ein Teil der å jedem Gas von endlicher Temperatur innewohnenden thermischen
inneren Eiiergie in kinetische Energie umgewandelt und zur Arbeitsleistung herangezogen
wird. Es ist z.B. möglich, einen Luftstrahl sehr stark zu beschleunigen, wenn man
seinen Querschnitt verengt. Nach dem Kontinuitätsgesetz nimmt dabei seine Geschwindigkeit
zu und damit auch seine kinetische Energie. Der Zuwachs an kinetischer Energie wird
aus der inneren Energie des Gases gedeckt, die entsprechend abnimmt. Da die Leistung
eines Luftstrahls nach N=Fw) mit der dritten Potenz seiner Geschwindigkeit wächst,
wird die Leistung des beschleunigten Luftstroms stark erhöht. Es kann gezeigt weraen,
daß die Leistung des beschleunigten Luftstromes mit dem Quadrat des Verhältnisses
der erhöhten weschwindigkeit w1 zur Anfangsgeschwind:tkeit wO wächst, also N1=No(w1/wo)2.
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Bringt man nun in den stark beschleunigten Luftstrom ein Laufrad,
zweckmäßigerweise ein Gleichdruckturbinenrad, nimmt es entsprechend seiner Leistungsbeizahl
cL eine Leistung Na=cLN ab, die es an einen Generator weiterzugeben und dadurch
Strom zu erzeugen vermag. Davon geht dann allerdings noch der Leistungsaufwand ab,
da man aus natürlichen Quellen keinen kontinuierlichen Luftstrom zur Verfügung hat.
Man muß also einen künstlichen Luftstrom niedriger Geschwindigkeit erzeugen, der
in einem Rohr mit entsprechendem Querschnittsverlauf (Zeichnung 1) geführt wird.
Um einen Luftstrom oder allgemein eine Strömung zu erzeugen und aufrecht zu erhalten,
muß Leistung aufgewendet werden. Der Leistungsaufwand für die Geschwindigkeitserteilung
richtet sich nach der Ausflußgeschwindigkeit aus einem System z.B. aus einem Rohr.
Was innerhalb des Systems mit der Luft geschieht, spielt - sieht man einmal von
der Reibung ab - keine Rolle. Man kann also ein Rohr verengen, dadurch einen Luftstrom
auf hohe Geschwindigkeit beschleunigen, ohne mehr Leistung aufwenden zu müssen,
wenn man nur der Verengung eine Erweiterung folgen läßt, in der - nach aem Kontinuitätsgesetz
- die Geschwindigkeit abnimmt und in Druck umgewandelt wird. Nimmt durch entsprechende
Rohrerweiterung die Geschwindigkeit wieder bis auf ihren Anfangswert ab, so ist
nur die Anfangsleistung aufzubringen, obwohl im engsten Bereich des
durchströmten
Rohres die mehrhundertfache Leistung zur Verfügung steht. Allerdings ist das Leistungsvermögen
wegen der vorhandenen Reibung, die durch die Geschwindigkeitserhöhung stark anwächst,
geringer.
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Die Erfindung besteht nun darin, daß am Anfang eines konvergentdivergent
verlaufenden Rohres mittels eines Gebläses ein Luftstrom erzeugt und auf hohe Geschwindigkeit,
z.B. Schallgeschwindigkeit, beschleunigt wird, im Bereich des engsten Querschnitts
eine Arbeit leistende Maschine, z.B. eine axial durchströmte Turbine angebracht
ist, die einen Generator treibt und Strom erzeugt. Wird Arbeit geleistet, geht dies
auf Kosten der inneren Energie der Luft. Der Luftstrom verläßt das Rohr in kälterem
Zustand als beim Eintritt in dasselbe. Die entnommene Energie wird durch Vermischung
mit der umgebenden Luft und Erwärmung durch die Sonne nachgeliefert; sie kann aber
auch über Wärmetauscher aus Abwärme, Kondensationswärme etc. ersetzt werden.
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Für die Leistungsfähigkeit einer Anlage der beschriebenen Art ist
wichtig, daß es insbesondere im divergenten Teil nicht zur Ablösung der Strömung
kommt, was besonders bei einem großen Er-0 welterungswinkel eintritt; deshalb soll
er 10 nicht überschreiten. Er kann aber auch nicht zu klein sein, weil dadurch das
Rohr länger und damit der Reibungsverlust größer wird. Um die Gesamtanlage zu verkürzen,
ist es zweckmäßig, die Querschnittsänderung nicht allein durch Einschnürung des
Rohres vorzunehmen, sondern durch Einschnürung und einen Innenkegel gemäß Zeichnung
2.
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Dadurch wird nicht nur die Länge der Anlage wesentlich verkürzt.
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Auch die Reibung wird erheblich gesenkt und damit die abnehmbare Leistung
erhöht. Außerdem liegen die Strömungsverhältnisse günstiger, denn trotz veränderlichen
Querschnitts zeigt sich, daß die Reynolds-Zahl über die gesamte Rohrlänge gleich
bleibt, wenn Rohrwandung und Innenkegel gleichen Neigungs- bzw. Steigungswinkel
besitzen.
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Da die Leistung auch von der Dichte abhängt, ist es zweckmäßig, möglichst
kühle Luft zu verwenden und eine Aufwärmung über Wärmetauscher erst nach der Arbeitsentnahme
im Diffusor durchzuführen. Dabei sind a h die Reibungsverluste geringer, weil bei
Gasen
oie Zähigkeit, die die Reibung verursacht, mit der Temperatur sinkt.
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Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß im Gegensatz zum herkömmlichen Kraftwerksprozeß Warmemengen niedriger Temperatur
wirtschaftlich genutzt werden können; im Gegensatz zu den Windrädern die abnehmbare
Leistung größer und außerdem kontinuierlicher Betrieb möglich ist. Ebenso ist im
Vergleich zu allen Sonnenenergie nutzenden Kraftanlagen kontinuierlicher Betrieb
möglich. Uber die Sonnenenergie steht ein ausreichendes, unerschöpfliches Wärmereservoir
zur Verfügung. Da die Investitionskosten niedriger liegen - z.iS. entfällt der Bau
von Dampferzeugungsanlagen - und kein teuerer Rohstoff eingesetzt werden muß, wird
die Stromerzeugung billiger. Anlagen dieser Art erzeugen keine schädlichen Abgase,
geben keine radioaktive Strahlung ab, geben keine Abwärme - verwerten sie sogar
- und sind dadurch umweltfreundlich. Es treten keine hohen Temperaturen und Drücke
auf, weshalb sich keine Isolationsprobleme ergeben und keine besonderen Anforderungen
an die Werkstoffe gestellt werden müssen.
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Ausführungsbeispiele werden im folgenden dargestellt und näher beschrieben.
In Zeichnung 3 ist eine Luftschraube oder ein Flügelrad (1) mit Motor am Anfang
eines Rohres nach Zeichnung 2 angebracht zur Erzeugung eines Luftstroms geringer
Geschwindigkeit.
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Im konvergenten Verlauf wird die Luft auf hohe Geschwindigkeit beschleunigt
und ihre kinetische Energie erhöht. Im Bereich der engsten Stelle ist ein Gleichdruckturbinenrad
(2) angebracht, das vom stark beschleunigten Luftstrom durchströmt wird, Arbeit
aufnimmt und im Generator (3) Strom erzeugt. Im nachfolgenden divergenten Teil wird
der Luftstrom wieder verzögert, die kinetische Energie des Gases in innere Energie
umgewandelt, die Geschwindigkeit in Druck umgesetzt. Wegen des Energieentzugs besitzt
das Gas am Austritt eine niedrigere Temperatur als am Eintritt. Die austretende
kältere Luft mischt sich mit der Umgebungsluft und wärmt sich wieder auf.
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Es kann im divergenten Teil der Anlage auch ein Wärmetauscher (4)
eingebaut werden, an dem die abgekühlte Luft vorbeigeführt und
erwärmt
wird. Der Wärmetauscher kann mit Abwärme gespeist werden.
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In Zeichnung 4 ist ein geschlossener Kreislauf gezeigt, der speziell
für die Verwertung industrieller Ab- und Restwärmen gedacht ist. Die Luftschraube
(1) erzeugt einen Luftstrom, der im konvergierenden Teil stark beschleunigt wird
und eine hohe Geschwindigkeit erhält. Das Laufrad (2) nimmt Energie auf und treibt
den Generator (3). Im divergenten Teil wird der Luftstrom verzögert und die entzogene
innere Energie über den Wärmetauscher (4) wieder zugeführt. Da der schwache Luftstrom
nicht jedesmal neu erzeugt werden muß, ist die aufzuwendende Leistung geringer0