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Wärmekraftmaschine zur Nutzung von Umgebungswärme,
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insbesondere von Luftwärme Die erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine
zur Nutzung von in sich ausgeglichener Umgebungswärme, wie z. B. Wasser-, Luft-
oder Erdbodenwärme. Sie arbeitet ohne das Vorhandensein eines natürlichen Wärmegefälles
und eignet sich insbesondere für größere stationäre Kraftanlagen, z. B. zum Antrieb
elektr. Generatoren in Kraftwerken.
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Bei derartigen Wärmekraftmaschinen ist es erforderlich, daß die zuzuführende
Wärme mit dem Arbeitsstoff selbst - dem eigentlichen Energieträger - zugeführt wird,
mit dem bereits im Arbeitsprozeß befindlichen und komprimierten Arbeitsstoff vermischt
und das dabei erhaltene Mischprodukt (mit der neuen Temperatur und dem neuen Druck)
zur Arbeitsleistung über eine Turbine entspannt wird. Die Differenz aus zugeführter
Kompressorarbeit und abgegebener Turbinenarbeit kann als effektive Arbeit nach außen
nutzbringend abgegeben werden.
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Derartige Wärmekraftmaschinen können im geschlossenen oder offenen
Kreis prozeß betrieben werden. Bei offener Betriebsweise wird atmosphärische Luft
(= Zuluft) über einen Kompressor (Verdichter) unmittelbar aus der Umgebung angesaugt,
die erhaltene heiße Pressluft einer Zweistoffdüse zugeführt, über die ebenfalls
atmosphärische Luft (= Beiluft) angesaugt wird. Das in der ZweistoffdUse erhaltene
Mischprodukt wird anschließend einer Turbine zugeführt, entspannt und abgekühlt
als "Abluft" der Atmosphäre wieder zugeführt. Bei geschlossener Betriebsweise kann
der Kreisprozeß mit einem geeigneten Gas als Arbeitsstoff, z. B. Helium oder auch
Luft, durchgeführt werden, wobei die Wärmeaufnahme Isobar über einen Wärmetauscher
erfolgt. Dadurch, daß bei der
Entspannung des Arbeitsstoffs in der Turbinevunter die der Umgebung temperatur fällt,
ist eine Wärmeaufnahme über den Wärmetauscher möglich.
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Beim offenen Kreisprozeß ist die Wärmeaufnahme bei Umgebungstemperatur
dadurch gegeben, daß die wärmere Zuluft von der kälteren Abluft örtlich voneinander
getrennt in die Wärmekraftmaschine ein- und austreten.
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Der innerhalb der Zweistoffdüse eintretende Mischprozeß von Zu- und
Beiluft bewirkt zwar eine Temperatur- und Druckabsenkung (Entropiezunahme) an der
über den Kompressor bereitgestellten heißen Druckluft, doch das verbliebene Mischprodukt
mit der neuen Temperatur und dem neuen Druck reicht aus, um bei polytroper (besser
isothermer) vntspannung über die nachgeschaltete Turbine mehr Arbeit zu gewinnen,
als zum Antrieb des Kompressors erforderlich ist. Die daraus resultierende Differenzarbeit
kann nach außen - auf Kosten der Luftwärme des Mischprodukts - nutzbringend verwertet
werden. Wie die Rechnung zeigt, ergibt sich eine umso größere Differenzarbeit, je
höher man komprimiert und je mehr man von der adiabatischen auf die isotherme Verdichtung
und Entspannung übergeht.
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Die mit der Erfindung erzielbaren wesentlichsten Vorteile bestehen
insbesondere darin, daß eine praktisch unerschöpfliche und absolut umweltfreundliche
regenerative Energiequelle zur Verfügung gestellt wird, die zu jeder Zeit und an
jedem Ort betriebsfähig ist. Die Wärmekraftmaschine kann zum Antrieb von elektr.
Generatoren in Kraftwerken benutzt werden und die bisherigen Energieträger (fossile
und nukleare Kraftstoffe) nach und nach substituieren.
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Derartige Kraftmaschinen zur Nutzung von in sich ausgeglichener Luftwärme
sind bisher nicht bekannt geworden. Bemühungen, Energie aus Luft-oder Wasserwärme
(Umgebungswärme) zu gewinnen, gab es zwar schon seit Anbeginn der Menschheit. Es
haben sich die gerissensten Köpfe damit beschäftigt. Die Zahl ihrer Vorschläge geht
in die Millionen, doch sie haben die Naturgesetze nicht beachtet, insbesondere die
Tatsache, daß man nur auf Kosten einer Energie form eine andere dafür erhalten kann
(Energieerhaltungssatz, 1. HS), oder daß Wärme nur von einem wärmeren Körper auf
einen kälteren Körper übergehen kann und nicht umgekehrt (Entropiesatz oder 2. HS
der Wärmelehre).
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Vier Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt
und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Abb. 1 das Prinzip-Schaltbild
mit Kompressor, Zweistoffdüse und Turbine bei offenem Kreisprozeß (Uber die Atmosphäre
offen) Abb. 2 das zu Abb. 1 gehörende Druck-Volumen-Diagramm (P,v-Diagr.) mit maßstäblicher
Aufzeichnung für 1 kg Ansaugluft und 1 kg Beiluft
Abb. 5 das zu
Abb. 1 gehörende Temperatur-Entropie-Diagramm (T,s-Diagr.) Abb. 4 ein AusfUhrungsbeispiel
gemäß dem Prinzip-Schaltbild Abb. 1 Abb. 5 ein Ausführungsbeispiel wie Abb. 4, jedoch
mit einer anstelle der Turbine verwendeten Laval-Düse und nachgeschalteter Wind-Turbine
oder Pelton-Rad Abb.5.1 eine Teilzeichnung zu Abb. 5 Atb. 6 ein Ausführungsbeispiel
mit 2-stufiger Verdichtung und offenem Kreisprozeß Abb. 7 ein AusfUhrungsbeispiel
mit einstufiger Verdichtung und geschlossenem Kreisprozeß Das Arbeitsprinzip, gemäß
Abb. 1, ist einfach. Es wird atmosphärische Luft über den Kompressor angesaugt,
Polytrop verdichtet, einer Zweistoffdüse zugeführt, in der ebenfalls atmosphärische
Luft (= Beiluft) angesaugt und mit der komprimierten Heißluft vermischt wird. Das
Mischprodukt wird bei entsprechend erniedrigter Temperatur (der Mischtemperatur
tm) und erniedrigtem Druck (dem Mischdruck pm) unmittelbar der Turbine zugeführt
und Polytrop expandiert. Die dabei gewonnene Arbeit wird, gemäß Abb. 4 und 5, einerseits
dem Kompressor unmittelbar über eine Antriebswelle zugeführt, während die restliche
Arbeit (= Differenzarbeit) nach außen nutzbringend abgegeben wird. Um diesen Betriebszustand
zu erreichen, muß der Kompressor zuvor "angesorfen" werden.
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Bei der Ausführungsweise gemäß Abb. 4 erfolgt die Entspannung des
Mischprodukts bezw. des Misch-Arbeitsstoffs Uber eine normale Gasturbine.
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Bei der Ausführungsweise gemäß Abb. 5 erfolgt die Entspannung liber
eine Laval-Düse, in der der Luftstrahl zunächst in hohe Geschwindigkeit (in hohe
kinetische Energie) bei gleichzeitiger Temperaturabsenkung umgesetzt wird. Anschließend
wird die kinetische Energie des Luftstrahls über eine Wind-Turbine (oder Peltonrad-Turbine)
in Dreh-Energie umgeformt, wie in Abb.5.1 angegeben ist. Welche der beiden Betriebsarten
vorteilhafter ist, hängt von der Größe des Betriebsdrucks und dem Verwendungszweck
ab. Sehr hohe Betriebsdrucke können im allgemeinen mit einer Laval-Düse wirtschaftlicher
(verlustarmer) abgebaut werden als unmittelbar über eine Gasturbine oder Kolbenmaschine.
Soll die Wärmekraftmaschine nur für Schubzwecke - wie ein Raketenmotor - genutzt
werden,
dann braucht die nachgeschaltete Wind-Turbine nur für den Antrieb des Kompressors
bemessen werden. Die Differenzarbeit ist dann in diesem Betriebsfalle Schubarbeit
(Anwendung z. B. zum Antrieb von Fahrzeugen).
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Beide Betriebsarten gemaß Abb. 4 und 5 arbeiten ohne Värmetauscher.
Damit kann die aufgenommene Zu- und Beiluft ohne irgendwelchen Temperaturverlust
genutzt werden. Die abgekühlte verbrauchte Abluft wird wieder unmittelbar der Atmosphäre
zugeführt; sie kann auch für Kühlzwecke, z. B. in Kühlhäusern, weiter genutzt werden.
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Die Betriebsweise nach Abb. 7 arbeitet mit Wärmetauscher. Sie hat
gegenüber den Ausführungen gemäß Abb. 4 und 5 den Vorteil, daß ihr Grunddruck (ntspanndruck)
höher als der der Atmosphäre vorgesehen werden kann, so daß bei gleichen Luftdurchsätzen
- und damit bei gleichen Leistungen - der Kompressor und die Turbine mit entsprechend
kleineren Abmessungen hergestellt werden kann. Sie hat jedoch den Nachteil, daß
ein relativ großer Wärmetauscher verwendet werden muß. Mit ihm läßt sich neben der
Luftwärme jedoch auch Wasserwärme, Erdbodenwärme oder Sonnenwärme (Strahlungsenergie)
verwenden. Insbesondere aber kann Wasserwärme (Meer-, See- oder Flußwasser) bei
relativ hoher und nahezu konstanter oberer Temperatur damit genutzt werden (auch
in kalten Jahreszeiten bei ca. 40C » konstant).
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Um den effektiven Arbeitsgewinn pro kg Arbeitsstoff-Duchsatz zu verbessern,
muß bei allen Ausführungen mit möglichst hohem Mischdruck gearbeitet werden. Dieser
läßt sich bei relativ großer Arbeitsersparnis bei Verwendung mehrerer Verdichterstufen
bei jeweiliger Zwischenkühlung bereitstellen. Diese Arbeitsersparnis erhöht zusätzlich
die effektive Nutzarbeit (Differenzarbeit), da entsprechend weniger Arbeit für die
Kompressoren rückgeführt werden muß. Mit Abb. 6 ist im Prinzip eine derartige Ausführung
mit 2 Verdichtern gezeigt. Die Zwischenkühlung, die bei diesem Arbeitsprinzip einer
Abwärmeabgabe nach außen gleichkommt, erfolgt durch die Beiluft selbst, d. h. der
Energieinhalt (innere Energie) bleibt dem System voll erhalten (Abwärmeabgabe an
das eigene System !). Somit wird von der Wärmekraftmaschine (bei geschlossenem Kreisprozeß)
nur mechanische Arbeit (keine Abwärme) nach außen abgegeben.
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Eine weitere Verbesserung hinsichtlich der Energiedichte wäre dadurch
möglich, indem man der Beiluft (bei offener Betriebsweise) ein Aerosol von hoher
spez. Wärme beimischt, z. B. ein H20-Aerosol. In diesem walze läßt sich der Arbeitsstoff
zunächst Isotherm und anschließend Adiabat entspannen und damit die Nutzwärmefläche
(im T,s-Diagr.) vergrößern.
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Alle vier Ausführungen arbeiten bei jedem Umgebungstemperaturniveau
etwa gleichwertig, da die Größe der Temperaturabsenkung am Turbinenausgang unabhängig
ist vom Niveau der Eingangstemperatur. Denn die Größe dieser Temperaturdifferenz
wird allein durch die Entspannung eines in immer gleicher Größe vorgegebenen Drucks
(Mischdrucks) erzeugt.
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Diese Eigenschaft eröffnet die Möglichkeit, zu immer tieferen Expansions-Endtemperaturen
vorzudringen durch laufende Abführung mechanischer Arbeit aus einem begrenzten Wärmereservoir
(Anwendung als "autarke Kältemaschine", denn sie beliefert ihre Antriebsarbeit selbst
und gibt außerdem überschüssige Arbeit (Differenzarbeit) nach außen ab). Diese Eigenschaft
macht auch ihre Betriebsweise, insbesondere mit geschlossenem Kreisprozeß (Abb.
7), also bei Verwendung eines Wärmetauschers, attraktiver, da ein hohes Wärmegefälle
- zur Aufnahme von Umgebungswärme - erzeugt wird und somit der Wärmetauscher mit
entsprechend kleineren Wärme flächen ausgeführt werden kann.
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Um die Funktionsfähigkeit vorliegender Erfindung nachzuweisen, wurde
der offen betriebene Kreisprozeß für die einstufige Ausführung thermodynamisch durchgerechnet.
Die zugrundeliegenden und ermittelten Zustandswerte sind in Abb. 1-3 eingetragen.
Es wurde für die polytrope Verdichtung und Entspannung der Luft der Polytropenfaktor
n = 1,3 gewählt. Es wurde eine zu komprimierende Luftmenge von 1 kg und eine Beiluftmenge
von 1 kg bei je OOC und 1 Bar (bezw. 1,013 bar = 760 Torr) zugrundegelegt.
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Beispiel Die theoretische Verdichtungsarbeit für 1 kg Gas ergibt sich
zu
Nm J Die spezielle Gaskonstante Ri für ist 287 oder 287 kg K kg K Damit ergibt sich
mit den zugrundeliegenden Zustandswerten T1 = 00C = 273 K, P1 = 1 bar, P2 = 10 bar,
n = 1,3 die aufzuwendende Verdichtungsarbeit zu:
und bei isothermer Verdichtung zu p2 10 = Ri . T1 . ln = 287 Nm/kgK . 273 . ln 1
= 180,4 kj/kg.
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Die Kompressionstemperatur T2 ergibt sich mit
zu
Die Mischtemperatur tm,3 ergibt sich allgemein zu
Da gleiche Massen (m1 = m2) und gleiche spez. Wärmen (c1 = c2) für die Zu- und Beiluft
vorliegen, ergibt sich die Mischtemperatur zu t1 + t2 0 + 191 tm,3 = = = 95,5 #
95°C.
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2 2 Der Mischdruck ergibt sich, da gleiche Mischmengen vorliegen,
zu p1 + P2 1 + 10 Pm,3 =2=2= 5,5 bar.
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Mit den Mischwerten tm,3 = 95°C, pm,3 = 5,5 bar, m3 = 2 kg Luft und
p4 = 1,1 bar Ausgangsdruck erhält man an der Gasturbine eine Rückgewinn-Arbeit von
= 2. -142 = -284 kJ/2kg (gesamte Rückgewinnarbeit aus 2 kg Luft)
Bei
isothermer Entspannug erhielte man dagegen eine Rückgewinnarbeit von p4 1,1 m3,4,is,2kg
= 2 . Ri . T3 . ln = 2 . 287 Nm/kgK . 273 . in p3 5,5 = 2 126,1 = 252,2 kJ/2kg Die
nach außen abführbare Arbeit Wab ergibt sich aus der Differenz der beiden Arbeitsprozesse
a) bei polytroper Betriebsweise Wab,poly = m3,4,poly,2kg - m1,2,poly,1kg = 284 -
238 = 46 kj/2kg = effektive Nutzarbeit b) bei isothermer Betriebsweise Wab,is m3,4,is,2kg
m1,2,is,1kg 252,2 - 180,4 = 72 kJ/2kg = effektive Nutzarbeit Da die isotherme Betriebsweise
(Verdichtung und Entspannung) in der Praxis nur schwierig zu erreichen ist, muß
die polytrope Betriebsweise mit dem weniger günstigen Nutzeffekt in Kauf genommen
werden. Vom theoretischen Arbeitsgewinn müssen noch für Maschinenverluste (Strömungs-
und mech. Reibungsverluste) etwa 10 % abgezogen werden, so daß sich die Real abführbare
Nutzarbeit ergibt zu etwa 40 kj/2kg.
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Die Expansions-Endtemperatur T4 ergibt sich bei polytroper Betriebsweise
mit
Die Nutzwerte an der Turbine ergeben sich somit zu a) Wärmegefälle : aT = 95,5 +
18,8 = 114,3 0C b) Druckgefälle : #p p = 5,5 - 1,1 = 4,4 bar
Um
das P,v-Diagramm maßstäblich aufzeichnen zu können, müssen noch die einzelnen Eckpunktemit
den Volumen bekannt sein. Das Anfangsvolumen V1 für 1kg Luft bei 0°C, 1 bar, ergibt
sich zu 1 1 m³ V1 = = = 0,7734 0 3 kg 1,293 kg/m3
V3 ergibt sich bei Entspannung über die Zweistoffdüse zu T2 273 + 191 m³ = V2 =
0,1316 = 0,1657 T3 273 + 95,5 kg und das Mischvolumen mit 1 kg Beiluft (bei gleicher
Temperatur und bei gleichem Druck) zu m³ = 2 . v3,1kg = 2 . 0,1657 = 0,3314 ###
Diese Volumenwerte, aus den Druckverhältnissen berechnet, sind im P,v-Diagramm,
Abb. 2, eingetragen.
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Das Volumen kann auch (zur Kontrolle) allein aus der Temperatur ermittelt
werden
Mit
m³ v1 = 0,7734 kg (wie oben ermittelt) wird
v3 ergibt sich bei Entspannung in der Zweistoffdüse zu T2 273 + 191 m³ v3,1kg =
v2 T3 =0,1320#273 + 95,5 = 0,1662kg, T3 273 + 95,5 kg und das Mischvolumen mit 1
kg Beiluft zu v3,2kg = 2 . v3,1kg = 0,3324 m³.
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2kg
Diese Volumenwerte, ermittelt aus der Temperatur, stimmen bis auf geringfügige Rechenrundungen
mit denen aus dem Druckverhältnis berechneten Volumenwerten überein.
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Damit ist mathematisch nachgewiesen, daß es nun doch möglich ist,
eine periodisch arbeitende Maschine zu konstruieren die weiter nichts bewirkt als
Abgabe mechanischer Arbeit und entsprechende Abkühlung eines Wärmereservoirs 1)
Die bisher vertretene gegenteilige Meinung entbehrt somit jeder physikalischen Grundlage;
es spricht lediglich die bisherige Erfahrung dafür, weil es bisher noch niemandem
gelungen ist die Funktionsfähigkeit einer solchen Maschine nachzuweisen, weder praktisch
noch theoretisch.
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1) Gemeint ist ein Wärmereservoir gleichmäßiger Temperatur, das sich
im inneren Gleichgewicht befindet, z. B. normale Wasser- oder Luftwärme.
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- L e e r s e i t e -