DE2745700A1

DE2745700A1 - Ausfuehrungsbeispiele fuer verfahren und anlagen zur gewinnung von nutzarbeit und nutzkaelte aus waerme

Info

Publication number: DE2745700A1
Application number: DE19772745700
Authority: DE
Inventors: Kurt Leczkowski
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-10-11
Filing date: 1977-10-11
Publication date: 1979-04-12

Description

-J-

Beschreibunr 274570Q

Die vorliegende Anmeldung ist eine Zusatzanmeldung zur Hauptanmeldung P 26 54 097.6-13 vom 29. November 1976.Das wichtigste Kennzeichen derHauptanmeldung besteht darin,dass der thermodynamische Kreisprozess zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie zur Gänze oder zu einem erheblichen Ausmasse im Temperaturgebiet zwischen dem absoluten Mullpunkt und der Aussentemperatur verläuft. - Der Erfindungsgedanke der Hauptanmeldung lautet in einer vereinfachten Formu-1i erung:

Ein geeignetes Arbeitsmedium wird vorweg auf möglichst hohen Druck bei Aussentemperatur gebracht und in einem Sammelbehälter (Kessel) gesammelt,von dem aus das Gas laufend unter Leistung von mechanischer Energie (Nutzarbeit) auf eine möglichst tiefe Temperaturstufe hauptsächlich adiabatisch entspannt wird, worauf das kalte Arbeitsmedium wieder komprimiert und in einem Heizkessel laufend durch Aussenwärme (z.B. solche von Heerwasser) wieder auf Aussentemperatur erhitzt wird.- Die bei Durchführung solcher Kreisprozesse entstehenden grossen Kältemengen werden vorzugsweise auch dazu verwendet,Meerwasser durch Ausfrieren des reinen l.'assers (nach dem Muster der Eisberge) zu entsalzen und das so gewonnene Süsswasser laufend zur Fruchtbarmachung von Wüsten auszunutzen.

Eine Überprüfung der für thermodynamische Kreisprozesse im tieferen Temperaturgebiet in Frage kommenden Gase ergibt, dass die folgenden Gase besonders geeignet erscheinen: Helium, Wasserstoff ,Neon und Stickstoff. - Neongas dürfte seines hohen Preises wegen nur begrenzte Anwendung finden können.

Neben den vier angeführten Gasmedien sind noch eine Reihe von Stoffen zu erwähnen,die als Arbeitsmedien für Wärme-Rohre ( heat-pipes ) mit Kapillarstruktur dienen können,die als Wärmeaustauscher oder Stabilisatoren für einzelne Stufen rechtsläufiger Kreisprozesse vorgesehen sind.Das sind unter anderen: Sauerstoff, Kohlenmonoxyd,Fluor,Argon,Methan (und andere Kohlenwasserstoffe), Stickoxydul,Krypton,Xenon,Chlor,Kohlendioxyd,Ammoniak.

HeI ium als Arbeitsmedium hat den Vorzug,bis auf ganz wonige Grade über dem absoluten Nullpunkt den gasförmigen Zustand zu behalten.Das Temperatur-Entropie-Diagramm von Helium weist von etwa 35⁰K ab für die Isenthalpen eine besondere Regelmässigkeit auf.Ein weiterer Vorzug von Helium für den vorliegenden Verwendungs-

. 4 . 909815/0577

-M-

274570Q

zweck ist seine Eigenschaft ,mit nur wenigen anderen Stoffen chemische Verbindungen einzugehen und nicht explosiv zu sein. Erwähnt soll auch noch werden,dass Helium unterhalb des Sättigungsgebietes (Nassdampfgebietes) nur bei abnormalen Drucken in den festen Aggregatzustand überführt werden kann.

Fig. 1 zeigt das Ausführungsbeispiel eines rechtsläufigen Kreisprozesses mit Helium als Arbeitsmedium in einem Temperatur-Entropie-Di agramm,welches einen logarithmischen Temperaturriasstab aufweist.

Fig. 1. zeigt im gleichen Diagramm wie Fig. 1 einen vom rechtsläufigen Hauptkreisprozess unabhängigen linksläufigen Kühl-Kreisprozess zur Beschaffung der für den Hauptprozess erforderlichen Nutzkälte.

Fig. 2, und Fig. 2, zeigen das Ausführungsbeispiel für a D

Helium gemäss den Fig. 1 und 1. noch einmal mit dem Unter-

ä D

schied,dass beide Diagramme nunmehr einen linearen Temperatur-Masstab aufweisen.

Fig. 3, und 3. zeigen die Anlagen und Einrichtungen a υ

gemäss den Fig. l,,l_k,2 .2. und deren Zusammenhänge ,die in der

a D α D

Beschreibung erläutert werden. Fig. 4 zeigt eine Variante der Fig. 2 und 2..

a υ

Durch die Besonderheit des logarithmischen Temperatur-Masstabes bei den Fig. 1 und 1. wird erreicht ,dass erstens

α D

das ganze für erfindungsgemässe Prozesse in Betracht kommende Temperaturgebiet (2° bis 500⁰K) in gedrängter Form dargestellt werden kann,und dass zweitens die kältesten Stufen besonders deutlich zu sehen sind.- In diesem Diagramm verlaufen die Linien der Isenthalpen zwischen 3O⁰K und 500⁰K nahezu waagerecht, zum Unterschied zu den Isenthalpen-Linien der Diagramme von beispielsweise Neon und Stickstoff.Daraus folgt,dass in dem Gebiet, in welchem die erfindungsgemässen Kreisprozesse verlaufen, isothermische Kompressionen ohne grösseren Energie-Aufwand und ohne Zu- oder Abführung grösserer Wärmemengen durchführbar sind.- Wenn man in diesem Zusammenhang noch berücksichtigt, dass durch Verwendung von Wärme-Rohren (heat-pipes) mit kapillarer Struktur der für isothermische Kompression so wichtige rasche Wärmeausgleich sehr begünstigt werden kann,so kommt

909815/0577

27A570Q

man zu dem Ergebnis ,dass durch die vorherrschend waagerechte Lage der Isothalpen im Helium-Diagramm dieses Gas als Mdeium für erfindungsgemässe Anlagen besonders gut geeignet ist.

Gemäss Fig. 1,,2„ und 3, ist im ausgewählten Ausführungs-

a a a

beispiel der Verlauf des Kreisprozesses 1-2-3-4-1 der folgende: Vor der Inbetriebsetzung wird nach bekannten Verfahren Heliumgas im Sammelbehälter SB (Punkt 1 des Diagramms) auf ca 200 at komprimiert ,jedoch gleichzeitig so gekühlt,dass im Kessel SB (Punkt 1) die angenommene Aussentemperatur von 29O⁰K (entsprechend beispielsweise der Temperatur des als Wärmequelle verwendeten Meerwassers) herrscht.- Vom Kessel SB bei Punkt 1 aus wird laufend mindestens eine Expansionsmaschine E, angetrieben,welche gegen Wärmeabgabe von und nach aussen gut geschützt ist,damit die Umsetzung von Wärme in mechanische Nutzarbeit nahezu adiabatisch erfolgen und die gewonnene mechanische Arbeit dem Aequivalent der dem Gasmedium entzogenen Wärmeenergie entsprechen muss.Der adiabatische Entspannungsprozess endet mit Punkt 2 des Diagramms,wo das entspannte Gasmedium von ungefähr 27,4⁰K und ca 0,6 at Druck im Zwischenbehälter gesammelt wird,um dann auf der Temperaturlinie 27,4⁰K durch die Kompressoren K, und K,^r isothermisch bis auf ca 50 at komprimiert und bei Punkt 3 des Diagramms im neuen Behälter gesammelt zu werden.- Die gewählte Temperaturstufe von 27,4⁰K als Leitlinie für die isothermische Kompression entspricht dem Siedepunkt von Neon bei 1 at.- Die metallischen Kompressoren K, und K,'sind in geschlossenen Behältern mit flüssigem Neon von 1 at Druck untergebracht.ParalIeI zur Achse der Kompressoren verlaufen im flüssigen Neon Kapillarstrukturen,vorzugsweise Dochte. Kompressorgehäuse,siedendes Neon und Dochte als Kapi1larstruktur bilden somit eine Wärme-Rohr (heat-pipe) -Einheit in Grossausführung.Abgesehen von diesen beiden Wärme-Rohr-Einheiten in Grossausführung (K₁ und K₁*) können weitere Wärme-Rohre (heat-pipes) unmittelbar an oder in den Wänden der Kompressoren oder der Behälter befestigt sein.(Diese zusätzlichen Wärme-Rohre sind in der Zeichnung nicht gezeigt,lediglich die Wärmetauscher WTj₁WT₂ und WT- zeigen die Zusammenhänge in den Fig. 3 und 3. .)

Die beiden Medien Helium und Neon kommen nicht miteinander in Berührung.Der zugeschaltete Neon-Prozess dient hauptsächlich der Erhaltung der Stabilität bzw.Konstanz der Temperatur zwischen den Punkten 2 und 3 des Hauptprozesses.

- 6 909815/0577

27A570Q

ÄVbeits-

Vom Behälter bei Punkt 3 des Kreisprozesses wird das medium in einem gegen Wärme-Aufnahme oder -Abgabe geschlitzten Kompressor K,, adiabatisch auf 200 at komprimiert.Wie aus dem Diagramm ersichtlich,entspricht dieser neue Punkt 4 des Prozesses, in welchem die maximale Spannung des Mediums erreicht wird, einer Temperatur von etwa 45⁰K.Bei Punkt 4 ist kein besonderer Behälter für das gespannte Arbeitsmedium erforderlich.Vielmehr beginnt bei Punkt 4 der Heizkessel HK,in weichen der Kompressor Kg das Arbeitsmedium drückt.Dieser Heizkessel HK besteht in der Hauptsache aus einer metallischen Rohrleitung von flachem Querschnitt (etwa wie bei Heizkörpern).In diesem Heizkessel wird das gepresste Heliumgas von ca 200 at auf der ganzen Länge von Punkt 4 bis zum Sammelkessel bei Punkt 1 auf die Ausgangstemperatur von 290 K durch die aus dem Meerwasser stammende Aussenwärme erhitzt.- Dieses Erhitzen erfolgt im Bereich der kälteren Temperaturen von 45⁰K bis etwa 24O⁰K im Gegenstrom zum Arbeitsmedium Helium durch Heliumgas von Aussentemperatur als Heizgas.Als Temperatur-Intervall zwischen dem Heizgas Helium und der metallischen Leitungswand des Arbeitsmediums Helium im Heizkessel werden etwa 50° als angemessen erachtet: Das Heizgas von 290⁰K Temperatur beginnt seine Heizwirkung gegenüber dem auf bereits 240° aufgeheizten Arbeitsmedium Helium,um dann am kältesten unteren Ende des Heizkessels beim Diagramm-Punkt 4 den Heizkessel zu verlassen. Durch Aussenwärme wird das Heizgas wieder auf 29O⁰K erwärmt.-Die Erwärmung des Arbeitsmediums Helium im obersten Teil des Heizkessels erfolgt beispielsweise durch flüssigen Alkohol,der im besonderen Kreislauf immer wieder vom Meerwasser aufgeheizt wird. (Diese beiden Kreisläufe für Heizgas und Heizflüssigkeit sind in den Zeichnungen nicht dargestellt.)

909815/0577

In Fig. 1. ist im gleichen Diagramm wie in Fig. 1 mit den Diagramm-Punkten 5-6-7-5 ein 1inksläufiger Kreisprozess dargestellt, der vom Hauptprozess 1-2-3-4-1 unabhängig ist und dessen Arbeitsmedium ebenfalls Helium ist.- Dieser Kälte-Prozess dient der Beschaffung jener Kaitemengen ,die für die Durchführung des rechtsläufigen Prozesses gemäss Fig. 1 wie auch der isothermischen Kompression der Stufe 7 bis 5 des linksläufigen Kreisprozesses notwendig sind.- Der Kreisprozess 5-6-7-5 beginnt mit einem Sammelbehälter in Punkt 5,welcher vor Inbetriebsetzung der Anlage mit Heliumgas von ca 2O⁰K und ca 50 at Spannung gefüllt wird.Während des Betriebes der Gesamtanlage wird durch dieses Heliumgas von 50 at eine Expansionsmaschine E~ adiabatisch betrieben und die der gewonnenen mechanischen Arbeit äquivalente Menge Wärmeenergie dem Heliumgas entzogen,dessen Temperatur beim Diagramm-Punkt 6 auf 4⁰K bei 1 at Druck sinkt.Vom Sammelbehälter bei Punkt 6 aus wird bis Punkt 7 das kalte Heliumgas z.B. durch einen Ventilator durch die Wärmetauscher WT,,WT^ und WT₃ getrieben.Mittels dieser Wärmetauscher werden laufend die bei den isothermischen Kompressionen entstehenden Wärmemengen de-Kompressoren kompensiert.Wei I alle Schwankungen dieses Kompensationsvorganges nicht vorausgesehen werden können,ergibt sich die Notwendigkeit ,die Kälteleistungen des linksläufigen Prozesses 5-6-7-5 automatisch entsprechend zj er>oaigen.Derartige Regelungseinrichtungen beispielsweise Thermostaten sind bekannten den Figuren sind sie nicht besonders dargestellt.) Die Zusammenhänge der Wärmetauscher WTj,WT2 und WT^ sind in den Fig. 3 und 3. verdeutlicht.

Fig. 4 stellt eine Variante von Fig. 2a und 2b dar, in welcher rechtsläufiger und linksläufiger Kreisprozeß zu einem Linienzug vereinigt sind. - Die Temperaturstufe von ca. 77⁰K entspricht dem Siedepunkt für Stickstoff bei 1 at. Die im linksläufigen Teilkreisprozeß zwischen den Punkten 2 und 3 verfügbare Kälte wird durch Wärmetauscher WT₄ auf die Kompressionslinie 3-4 übertragen, welche mit der Isenthal pie-Linie 100 des Mediums Helium etwa zusammenfällt. Der Wärmetauscher WT₄ kann auch zu einem Wärme-Rohr mit Kapillar-Struktur umgestaltet werden. (Vgl. Fig. 3 und 3. .)

Aus Fig. 4 ist noch ersichtlich, daß im Bedarfsfalle mit Vorteil vor der adiabatischen Expansionsmaschine eine meist kleinere Stufe für eine isothermische Entspannung (Punkt 1 bis 1 ) eingeschaltet werden kann.

909815/057?

27A570Q

Die Ausführungsbeispiele der Kreisprozesse aller Arbeitsmedien lassen sich in zwei große Gruppen einteilen:

a) solche m ι t Verflüssigung des Arbei tsniediums in der tiefsten Temperaturstufe und

b) solche ohne Verflüssigung.

Die erstgenannte Gruppe a) ist in der Hauptanmeldung in die Ansprüche 6 bis einschl. 9 eingereiht und beschrieben. - Zur Gruppe b) gehört das in den Fig. 1,, 2, und 3. dieser Zusatzanmeldung dargestellte

a a a

Ausführungsbeispiele mit Helium als Medium. - Viele Arbeitsmedien können sowohl in Prozessen der Gruppe a) als auch solchen der
Gruppe b) Verwendung finden. - Das gilt auch für Helium. Dieses
Medium ist aus den bereits angegebenen Gründen (siehe auch Fig. l_a) für die Gruppe a) besonders gut geeignet. - Ein weiteres Eingehen auf diese Fragen wie auch auf einzelne andere Medien erscheint verfrüht.

Die im vorliegenden Beispiel angenommenen Temperaturen für den rechtsläufigen Helium-Kreisprozeß können etwa für die gemäßigten
Zonen in Betracht kommen. Für tropische Zonen und polare Gebiete, für welche beide erfindungsgemäße Anlagen auch verwendet werden
können, müssen hinsichtlich der Außentemperatur entsprechende Änderungen Platz greifen. Es darf noch darauf hingewiesen werden, daß selbst unter vereisten Gewässern eine erfindungsgemäße Verwendung der Außenwärme möglich ist, und zwar sowohl durch die Wärme der
Atmosphäre als auch durch die Wärme der nicht gefrorenen Gewässer, soweit diese in ausreichenden Mengen verfügbar sind.

Nur kurz soll anschließend auf die Möglichkeit der Verwendung
von Gasgemischen im Zusammenhang mit dem Erfindungsgedanken eingegangen werden.

909815/0577

Wenn man H e 1 i u m g a s in erfindungsgemäßen Anlagen als Arbeitsmedium für den rechtslä'ufigen Prozeß einsetzt und dabei dem Heliumgas andere Gase vom gleichen Druck beimischt, so muß sich bei der Entspannung und Abkühlung des Gasgemisches folgendes ergeben:

Sobald das Gasgemisch das Temperaturgebiet zwischen kritischer Temperatur und Tripelpunkt eines beigemischten Stoffes durchläuft, muß jeder einzelne beigemischte Stoff nacheinander in den flüssigen und dann in den festen Aggregatzustand oder in ein Gemisch beider Zustände übergehen. Dadurch wird die Möglichkeit geschaffen, in einer noch etwas tieferen Temperaturstufe die beigemischten Stoffe auszuscheiden. Heliumgas durchläuft dann die verbliebenen Entspannungsstufen schließlich ohne jede Beimischung. - Auf diese Weise können aus Gemischen gewonnen werden: Edelgase (wie Neon, Argon, Krypton u.a.) Kohlenwasserstoffe, Alkohole, Sauerstoff, Stickstoff, Fluor und viele andere.

Wasserstoff kann unterhalb von 20° K aus dem Gemisch mit Helium in fester Form ausgeschieden werden, um etwa als idealer Treibstoff für Kraftwagen in Stahlflaschen aufbewahrt zu werden.

Auch die Gewinnung von Trockenei s aus CO₂ kann mit einer erfindungsgemäßen Anlage kombiniert werden, wenn man CO₂-GaS z.B. dem gespannten Heliumgas beimischt und einige Grade unterhalb der Sublimationstemperatur von COp (d.i. 194.6° K) das Trockeneis abscheidet. - Statt Heliumgas kann bei CO₂ auch Luft u.a. in Frage kommen.

Während bisher in der Hauptanmeldung und in dieser Zusatzanmeldung im allgemeinen nur geschlossene Kreisprozesse behandelt wurden, soll anschließend in Verbindung mit Gasgemischen noch auf die Möglichkeit hingewiesen werden, auch offene Kreisprozesse zu verwenden: Die bei Gasgemischen mit vorzugsweise Heliumgas als wichtigstem Bestandteil dem hochgespannten Gas bei maximaler Prozeßtemperatur beigemischten Stoffe können in den einzelnen Stufen als feste oder flüssigfeste Stoffe aus dem Hauptprozeß ausgeschieden werden und beispielsweise gemischt in einem entsprechenden Heizkessel wieder aufgeheizt und auf Außentemperatur bei maximalem Betriebsdruck gebracht werden, während das

- 10 -

909815/0577

- -ια -

Heliumgas schließlich bei beispielsweise 5⁰K und 2 at Druck seine tiefste Teraperaturstufe erreicht, um dann im rechtsläufigen Kreisprozeß wieder aufgeheizt und gespannt zu werden. - Durch einen solchen teilweise offenen Kreisprozeß von Mischgas kann beispielsweise Wasserstoff mit seinen gegenüber Helium vorteilhaften physikalischen Daten (Enthalpie und Entropie) in erfindungsgemäßen Anlagen ohne besondere grundsätzliche Schwierigkeiten als Arbeitsmedium eine neuartige Verwendung finden.

909815/0577

-λ/Ι-

Leerseite

Claims

München, 11.Oktober 1977

27A57OQ

Kurt Leczkowski
Ungererstrasse 66
D 8000 München 40

Ausführungsbeispiele für Verfahren und Anlagen zur Gewinnung von Nutzarbeit und Nutzkälte aus Wärme

PATENTANSPRÜCHE

(lWVerfahren und Anlagen nach Patentanmeldung P 26 54 097.6-13 dadurch gekennzeichnet,dass für den thermodynamischen Kreisprozess Helium als Arbeitsmedium gewählt wird.
2) Verfahren und Anlagen nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet ,dass im rechtsläufigen Kreisprozess ohne Verflüssigung des gasförmigen Heliums die unterste Grenzlinie dieses Kreisprozesses im Temperatur-Entropie-Diagramm mit einer möglichst waagerechten Isenthalpie-Linie dieses Diagramms zusammenfällt, und dass die für den rechtsläufigen Kreisprozess erforderliche Kälte in einem besonderen linksläufigen Kälte-Kreisprozess gewonnen wird,dessen Arbeitsmedium ebenfalls Heliumgas ist.
3) Verfahren und Anlagen nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet,dass statt Helium andere Gase wie Wasserstoff, Neon,Sauerstoff,Stickstoff,Kohlenoxyd ,Argon.Stickoxydul,Kohlenwasserstoffe,Kohlendioxyd und andere verwendet werden.
4) Verfahren und Anlagen nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet,dass bei isothermisch verlaufenden Änderungen der Gasspannung der Arbeitsmedien in einzelnen Stufen des Prozesses flüssige Arbeitsmedien zur Stabilisierung der Temperatur verwendet werden.
5) Verfahren und Anlagen nach Anspruch 4,dadurch gekennzeichnet,dass die Einrichtungen zur Änderung der Gasspannung des Arbeitsmediums (Kompressoren und/oder Expansionsmaschinen) in einem Behälter untergebracht sind,welcher mit der zur

909815/0577

Stabilisierung der Temperatur dienenden Arbeitsflüssigkeit gefüllt ist und daß diese Einrichtungen durch Hinzufügung von Kapi1lar-Strukturen die Funktion von Wärme-Rohren (heat pipes) ausüben können.
6) Verfahren und Anlagen gemäß Anspruch 4 und/oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei angestrebtem isothermischen Verlauf von Änderungen der Gasspannung des Arbeitsmediums mehrere Einrichtungen nebeneinander Verwendung finden und daß die Temperaturen, auf welche die einzelnen Einrichtungen eingestellt werden, die Temperaturänderungen der Isenthalpen-Linien des Arbeitsmediums berücksichtigen.
7) Verfahren und Anlagen gemäß mindestens einem der Ansprüche der Hauptanmeldung P 26 54 097.6-13 oder dieserZusatzanmeldung, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmedium des rechtsläufigen Kreisprozesses mit wenigstens einem anderen Gas gleicher Spannung gemischt wird, daß der Tripel- oder Schmelzpunkt des oder der beigemischten Gase eine höhere Temperatur aufweist als der Tripel- oder Schmelzpunkt des Arbeitsmediums für den rechtsläufigen Kreisprozeß und daß die beigemischten Stoffe in Temperaturstufen unterhalb ihres Tripel- oder Schmelzpunktes aus dem Kreisprozeß ausgeschieden werden.
8) Verfahren und Anlagen gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Heliumgas als Arbeitsmedium des rechtsläufigen Kreisprozesses verwendet wird, daß die aus dem Kreisprozeß im Verlauf der Entspannung ausgeschiedenen Stoffe in wenigstens einem besonderen Heizkessel durch Außenwä'rme wieder erhitzt und auf Ausgangsdruck und Ausgangstemperatur gebracht werden und daß das Heliumgas bei der tiefsten Temperatur des Prozesses in einem rechtsläufigen Kreisprozeß durch Außenwärme wieder erhitzt und auf Ausgangsdruck und Ausgangstemperatur gebracht wird.

- 3 909815/0677