WO1982000179A1 - Method and device for the recovering of efficient energy from environment heat by means of a thermodynamic cycle - Google Patents

Abstract

According to this method, a gas medium is selected as a working medium for which the isobaric curves represented in a temperature-enthalpy diagram to the right of the junction line joining the summits of successive isenthalpy curves (line VS-I), are substantially directed downwardly to the right hand side. A substantially constant gas quantity is repetitively exposed to a dextrogyre cycle, from a starting state (point 1) at an increased pressure and substantially at room temperature. The working medium is first expanded (point 1 to point 2) to lower its temperature and to obtain a work, and then it is exposed to a pressure increase (point 2 to point 3) and it is finally brought to the starting state (point 1) by an environment heat flow.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Nutzarbeit aus Umgebungswärme mittels eines ther odynamisehen Kreisprozesses Method and device for obtaining useful work from ambient heat by means of a thermodynamic cycle

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Nutzar¬ beit aus Umgebungswärme mittels eines thermodynamischen Kreis¬ prozesses und einer Vorrichtung zur Durchführung dieses Ver¬ fahrens.The invention relates to a method for obtaining useful work from ambient heat by means of a thermodynamic cycle and a device for carrying out this method.

Es sind bereits eine Reihe von Vorrichtungen entwickelt worden, die in der Lage sind, Energie aus Umgebungswärme zu gewinnen. Ein Beispiel ist die sogenannte Wärmepumpe.A number of devices have been developed which are capable of extracting energy from ambient heat. One example is the so-called heat pump.

Während unbestritten ist, daß Arbeit nahezu vollständig in Wärme umgewandelt werden kann, sind die konkreten Voraus¬ setzungen für die Umwandlung von Wärme in Arbeit bisher kei¬ neswegs geklärt. Es besteht die Möglichkeit, Nutzarbeit durch adiabatische Entspannungsvorgänge zu gewinnen. Es muß jedoch berücksichtigt werden, daß nur einige der bekannten adiaba¬ tischen Entspannungsvorgänge umkehrbar (reversibel) sind. Außerdem genügt adiabatische Entspannung allein vielfach nicht zur Gewinnung von Arbeit, vielmehr muß in solchen Fällen auch noch die gleichzeitige isentropische Entspannung des gegebenen Arbeitsmediums- gesichert sein. Schließlich sind viele Fälle bekannt, in welchen durch Entspannungsvorgänge von Druckgasen überhaupt keine Umwandlung in Nutzarbeit er¬ reicht werden kann, vielmehr lediglich eine Drosselwirkung.While it is undisputed that work can be almost completely converted into heat, the concrete requirements for converting heat into work have so far not been clarified. There is the possibility of gaining useful work through adiabatic relaxation processes. However, it must be taken into account that only some of the known adiabatic relaxation processes are reversible. In addition, adiabatic relaxation alone is often not sufficient to gain work; in such cases, the simultaneous isentropic relaxation of the given working medium must also be ensured. Finally, many cases are known in which no transformation into useful work can be achieved by depressurization processes of compressed gases, rather only a throttling effect.

Über "adiabatische Zustandsänderungen" finden man in Ulimanns Encyklopädie der technischen Chemie 1972, Band I Thermodynamik auf Seite 22 die folgende allgemeine Aufklärung:The following general information on "adiabatic changes in state" can be found in Ulimann's Encyclopedia of Industrial Chemistry 1972, Volume I Thermodynamics on page 22:

OMPI "Ist die Zustandsänderung reversibel, so gilt :OMPI "If the change in state is reversible, the following applies:

dQ rev = T . ds ;dQ rev = T. ds;

dann und nur dann bleibt bei einem adiabatischen Prozeß auch die Entropie konstant und der Vorgang ist isentropisch!then and only then does the entropy remain constant in an adiabatic process and the process is isentropic!

Offen bleibt - nicht nur in Ulimanns Encyklopädie, sondern auch in der übrigen einschlägigen Literatur""vor allem die Kernfrage, welche konkreten Voraussetzungen erfüllt sein müßten, um im Temperaturbereich zwischen Umgebungstemperatur und absolutem Nullpunkt Wärme aus dem Umgebungstemperatur- Reservoir in Arbeit umzuwandeln.What remains open - not only in Ulimann's encyclopedia, but also in the other relevant literature, "" is above all the core question of what specific prerequisites have to be met in order to convert heat from the ambient temperature reservoir into work in the temperature range between ambient temperature and absolute zero.

(In der Literatur wird die Kernfrage wiederholt auch als "Reversibilität" der thermodynamischen Zustandsänderung von Wärme und Arbeit bezeichnet) .(The core question is repeatedly referred to in the literature as "reversibility" of the thermodynamic change in the state of heat and work).

Die vorliegende Anmeldung befaßt sich mit der Aufgabe, ein kon¬ kretes Verfahren zur Gewinnung von Nutzarbeit aus Umgebungs¬ wärme mittels eines .thermodynamischen Kreisprozesses vorzu¬ schlagen, so daß u.a. größere Umgebungswärmequellen wie Meere wirtschaftlich ausgenutzt werden können.The present application is concerned with the task of proposing a specific method for obtaining useful work from ambient heat by means of a thermodynamic cycle so that, inter alia, Larger sources of ambient heat such as oceans can be exploited economically.

Der Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens vorzuschlagen.The invention is further based on the object of proposing a suitable device for carrying out the method.

Bei der Suche nach einer Lösung dieser Aufgaben gelangte der Erfinder u.a. auch zu einer neuen Erkenntnis, nämlich, daß die Fähigkeit eines Arbeitsmediums, Wärme in Arbeit umzuwandeln, mit dem Verlauf der Isenthalpen in dem diesem Arbeitsmedium zugeordneten Temperatur-Entropie-Diagramm zusammenhängt. Es erwies sich erfindungsgemäß als zweckmäßig, in den einzelnen Temperatur-Entropie-Diagrammen die Scheitelpunkte aller Isenthalpen durch eine Linie zu verbinden, welche in den Figuren 1 bis 6 dieser Anmeldung als "V-Sτl-Linie" bezeichnet wird (V-S-I-Linie bedeutet: "Verbindungslinie der Scheitel¬ punkte der Isenthalpen") . Offensichtlich sind diese V-S-I- Linien ein Maß dafür, ob eine Störung im Verlauf der adia- batisch-isentropischen Entspannung des gegebenen gasförmigen Arbeitsmediums vorliegt. Damit werden die V-S-I-Linien zu Kriterien für die rasche Beurteilung der Möglichkeiten zur Umwandlung von Wärme in Arbeit im ganzen Bereich des Temperatur-Entropie-Diagrammes für ein gegebenes- Gas oder Gasgemisch. Man muß nur beachten, daß die gewünschte Um¬ wandlungsmöglichkeit nur dann gegeben ist, wenn, auf dem Temperatur-Entropie-Diagramm betrachtet, die Konturen des gewählten Kreisprozesses die V-S-I-Linie weder berührt noch kreuWhen searching for a solution to these problems, the inventor also came to a new finding, namely that the ability of a working medium to convert heat into work is related to the course of the isenthalpics in the temperature-entropy diagram associated with this working medium. It turned out to be expedient according to the invention, in the individual Temperature entropy diagrams to connect the vertices of all isenthalpics by a line which is referred to in FIGS. 1 to 6 of this application as the "V-Sτl line" (VSI line means: "connecting line of the vertices of the isenthalpen") . These VSI lines are obviously a measure of whether there is a disturbance in the course of the adiabatic-isentropic relaxation of the given gaseous working medium. The VSI lines thus become criteria for the rapid assessment of the possibilities for converting heat into work in the entire area of the temperature-entropy diagram for a given gas or gas mixture. It is only necessary to note that the desired conversion option is only given if, when viewed on the temperature-entropy diagram, the contours of the selected cycle neither touches nor crosses the VSI line

Zur Lösung der oben genannten Aufgaben wird bei einem Ver¬ fahren zur Gewinnung von Nutzarbeit aus Umgebungswärme mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses vorgesehen, daß man als Arbeitsmedium ein gasförmiges Medium auswählt, bei dem, auf einem Temperatur-Entropie-Diagramm betrachtet, rechts von der Verbindungslinie der Scheitelpunkte aufeinanderfol¬ gender Isenthalpen die Isobaren im wesentlichen links abwärts und die Isenthalpen im wesentlichen rechts abwärts gerichtet sind, und daß eine im wesentlichen gleichbleibende Menge des Gases wiederholt einem rechtsläufigen Kreisprozeß aus¬ gesetzt wird, ausgehend von einem Ausgangszustand mit er¬ höhtem Druck und im wesentlichen der Umgebungstemperatur, wobei das Arbeitsmedium zunächst expandiert wird, um dessen Temperatur zu erniedrigen und Arbeit zu gewinnen, anschließend einem Drucksteigerungsvorgang ausgesetzt wird und dann durch Zuströmung von Umgebungswärme wieder auf den Ausgangs¬ zustand gebracht wird.To solve the above-mentioned problems in a method for obtaining useful work from ambient heat by means of a thermodynamic cycle, it is provided that a gaseous medium is selected as the working medium in which, viewed on a temperature-entropy diagram, to the right of the connecting line of the The vertices of successive isenthalpics are the isobars essentially left downwards and the isenthalpics essentially right downwards, and that an essentially constant amount of the gas is repeatedly subjected to a clockwise cycle, starting from an initial state with increased pressure and in essentially the ambient temperature, the working medium being first expanded in order to lower its temperature and to gain work, then subjected to a pressure-increasing process and then brought back to the initial state by the inflow of ambient heat.

OMPI Sobald das Arbeitsmedium wieder auf den Ausgangszustand gebracht worden ist, kann es wieder in einem Expansions- vorgang expandiert werden, so daß Nutzarbeit stufenweise bei jedem Expansionsvorgang gewonnen werden kann. Es kommen verschiedene Varianten des oben angegebenen Verfahrens in Frage. Es wird erfindungsgemäß bevorzugt vorgesehen, daß die Zuströmung von Umgebungswärme bei konstantem Volumen des gasförmigen Mediums erfolgt, d.h. daß der der A sgangs- zustand entlang einer Isochore des Temperatur-Entropie- Diagrammes wieder erreicht wird. Dies hat in der Praxis den großen Vorteil, daß man lediglich das Arbeitsmedium in einem geeigneten Behälter speichern und erreichen muß, daß Wärme aus der Umgebung sowohl die Temperatur als auch den-Druck des gespeicherten Arbeitsmediums auf den Ausgangszustand bringt.OMPI As soon as the working medium has been brought back to its original state, it can be expanded again in an expansion process, so that useful work can be gained in stages with each expansion process. Different variants of the above-mentioned method are possible. It is preferably provided according to the invention that the inflow of ambient heat takes place with a constant volume of the gaseous medium, ie that the initial state is reached again along an isochore of the temperature-entropy diagram. In practice, this has the great advantage that one only has to store the working medium in a suitable container and achieve that heat from the environment brings both the temperature and the pressure of the stored working medium to the initial state.

Es besteht auch die Möglichkeit, daß die Zuströmung von Umgebungswärme bei konstantem Druck des Arbeitsmediums stattfindet, d.h. daß der Ausgangszustand längs einer Isobare wieder erreicht wird. Auch bei diesem Verfahren sollte das Arbeit medium durch den Drucksteigerungsvorgang wieder auf einen Druck der dem Druck des Ausgangszustandes entspricht, gebracht werden.There is also the possibility that the inflow of ambient heat takes place at a constant pressure of the working medium, i.e. that the initial state is reached again along an isobar. In this process, too, the working medium should be brought back to a pressure which corresponds to the pressure of the initial state by the pressure increase process.

Bevorzugt erfolgt der Drucksteigerungsvorgang im wesentlichen isenthalpisch, weil zumindest in der Theorie keine Arbeit geleistet werden muß, um den Drucksteigerungsvorgang durch¬ zuführen. Es erfolgt lediglich ein Umtausch zwischen dem Volumen und dem Druck des Arbeitsmediums.The pressure increase process preferably takes place essentially isenthalpically, because, at least in theory, no work has to be done to carry out the pressure increase process. There is only an exchange between the volume and the pressure of the working medium.

Der ExpansionsVorgang erfolgt bevorzugt im wesentlichen- adiabatisch bzw. isentropisch und kann auch mehrstufig durch¬ geführt werden.The expansion process is preferably carried out essentially adiabatically or isentropically and can also be carried out in several stages.

Besonders geeignete gasförmige Arbeits edien lassen sich identifizieren, wenn,auch im Temperatur-Entropie-Diagramm betrachtet, die Isobaren und die Isenthalpen rechts von der Verbindungslinie ein rautenförmiges Muster bilden, wobei die Isobaren und die Isenthalpen gegenüber der lotrechten Entropielinie links und recht ungefähr gleiche Winkel auf¬ weisen. Bevorzugt werden für den Expansionsvorgang aus¬ schließlich solche adiabatischen Expansionsstufen gewählt, welche gleichzeitig isentropisch wirken und Arbeit leisten, so daß jeweils. alle zu Gebote stehenden Expansionsstufen tunlichst voll zur Umwandlung von Wärme in Arbeit herange¬ zogen werden.Particularly suitable gaseous working media can be identified if, also in the temperature-entropy diagram considered, the isobars and the isenthalpics to the right of the connecting line form a diamond-shaped pattern, the isobars and the isenthalpics having approximately equal angles to the left and right of the vertical entroie line. For the expansion process, preference is given to selecting only those adiabatic expansion stages which at the same time act isentropically and do work, so that in each case. all expansion levels available are used to the fullest extent possible for converting heat into work.

Ein besonders bevorzugtes Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß ausgehend von dem Ausgangszustand zunächst. eine erste im wesentlichen isentropische Expansion stattfindet, um eine niedrige Temperatur und erniedrigten Druck zu er¬ reichen, daß das Arbeitsmedium durch Zuströmung von ;. Umgebungswärme bei konstantem Druck auf eine höhere Temperatur gebracht wird, daß das Arbeitsmedium dann durch eine weitere im wesentlichen isentropische Expansion auf eine niedrige Temperatur und annähernd atmosphärischen Druck gebracht wird, dann durch einen im wesentlichen isenthalpischen Drucksteigerungsvorgang auf den Ausgangsdruck gebracht wird und anschließend durch Zuströmung von Umgebungswärme bei annähernd konstantem Druck wieder auf den Ausgangs¬ zustand gebracht wird.A particularly preferred method is characterized in that, starting from the initial state. a first essentially isentropic expansion takes place in order to achieve a low temperature and reduced pressure, so that the working medium can flow in through; Ambient heat is brought to a higher temperature at constant pressure, that the working medium is then brought to a low temperature and approximately atmospheric pressure by a further essentially isentropic expansion, is then brought to the initial pressure by an essentially isenthalpic pressure increase process and subsequently by inflow of Ambient heat is brought back to the initial state at approximately constant pressure.

Dieses Verfahren läßt sich gut mit Luft oder Neon als Arbeits¬ medium durchführen. Insbesondere mit Neon als Arbeitsmedium kann zwischen dem zweiten Expansionsvorgang und dem im wesentlichen isenthalpischen Drucksteigerungsvorgang die Temperatur des Arbeitsmediums bei annähernd konstantem Druck durch Zuströmung -von Umgebungswärme erhöht werden und zwar auf eine Temperatur, die ungefähr in der Mitte zwischen des Kre_isOr_ozess s der Ausgangstemperatur und der niedrigsten Temperatur /lieg .This process can be carried out well with air or neon as the working medium. Especially with neon as the working medium, the temperature of the working medium can be increased at approximately constant pressure by the inflow of ambient heat between the second expansion process and the essentially isenthalpic pressure increasing process, to a temperature approximately in the middle between the initial temperature and the temperature lowest temperature / lying

ΓUS_EA Mit Neon als Arbeitsmedium soll bevorzugt eine Umgebungs¬ temperatur unter 250 K, d.h. die Inversionstemperatur be¬ nutzt werden.ΓUS_EA With neon as the working medium, an ambient temperature below 250 K, ie the inversion temperature, should preferably be used.

Eine etwaige Abweichung der Entspannungslinie für den ausge¬ wählten Entspannungsvorgang von der Lotrechten auf dem Temperatur-Entropie-Diagramm, d.h. eine Abweichung nach links oder rechts, läßt sich durch Zu- oder Abfuhr von Wärme zu oder aus dem sich entspannenden Arbeitsmedium korrigieren, so daß die Reversibilität aufrechterhalten wer¬ den kann und damit auch die Umwandlung von Wärme in Arbeit vergrößert wird.Any deviation of the relaxation line for the selected relaxation process from the vertical on the temperature-entropy diagram, i.e. a deviation to the left or right can be corrected by supplying or removing heat to or from the relaxing working medium, so that the reversibility can be maintained and thus the conversion of heat into work is increased.

Ein Wärmetauscher kann benutzt werden, um den Drucksteigerungs¬ vorgang annähernd isenthalpisch zu halten. Dieser Wärme¬ tauscher läßt sich auch mit aus anderen Kreisprozessen gewonnener Kälte betreiben.A heat exchanger can be used to keep the pressure increase process approximately isenthalpic. This heat exchanger can also be operated with cold obtained from other cycle processes.

Wichtig ist, daß der ExpansionsVorgang gegen Wärmeübergang von und nach außen gut isoliert durchgeführt wird.It is important that the expansion process against heat transfer from and to the outside is carried out well insulated.

Es ist auch wichtig, daß der Übergang von Wärme vom Arbeits¬ medium auf die zur Durchführung des Drucksteigerungsvor¬ ganges benutzten Vorrichtung durch Isolation so klein wie möglich gehalten wird.It is also important that the transfer of heat from the working medium to the device used to carry out the pressure increase process is kept as small as possible by insulation.

Als Arbeitsmedium sind Stickstoff, Luft, Sauerstoff oder Neon besonders geeignet. Es kommenerfindungsgemäß auch Gas¬ gemische als Arbeitsmedium in Frage.Nitrogen, air, oxygen or neon are particularly suitable as the working medium. According to the invention, gas mixtures are also suitable as the working medium.

Bei einem konkreten Beispiel zur Verwirklichung des Verfahrens wird erfindungsgemäß vorgesehen, daß das Arbeitsmedium beim Ausgangspunkt in einem Behälter gespeichert wird, durch Öffnen eines Ventils in eine ExpansionsVorrichtung geleitet wird, daß nach der Expansion das Arbeitsmedium in einerVer- dichtungsmaschine verdichtet wird, um den Drucksteigerungs¬ vorgang durchzuführen, und daß es nach dem Drucksteigerungs¬ vorgang durch öffnen eines Ventils wieder in den Behälter geleitet wird.In a concrete example for realizing the method, it is provided according to the invention that the working medium is stored in a container at the starting point, passed into an expansion device by opening a valve is that after the expansion the working medium is compressed in a compression machine in order to carry out the pressure increase process and that after the pressure increase process it is passed back into the container by opening a valve.

Um die vorgesehene Expansionsvorrichtung voll auszulasten und die Abgabe von Nutzarbeit zu glätten, besteht erfindungs¬ gemäß auch die Möglichkeit, daß mehrere Behälter mit der ExpansionsVorrichtung über jeweilige Ventile verbunden sind, um die in den .jeweiligen Behältern gespeicherten Arbeits¬ medien nacheinander durch die ExpansionsVorrichtung zu expandieren.In order to fully utilize the intended expansion device and to smooth the delivery of useful work, according to the invention there is also the possibility that several containers are connected to the expansion device via respective valves in order to feed the working media stored in the respective containers through the expansion device one after the other expand.

Bei derartigen Verfahren lassen sich die erforderlichen Ven¬ tile von einem Computer steuern. Eine wesentliche Verein¬ fachung des Verfahrens erfolgt, wenn die- Zuströmung von Umgebungswärme in das Arbeitsmedium in dem bzw. in den Behälter (n) erfolgt.In such methods, the required valves can be controlled by a computer. An essential simplification of the method takes place when the inflow of ambient heat into the working medium takes place in the container (s).

Da Reibung nicht absolut ausgeschlossen werden kann, wird voraussichtlich eine gewisse Menge Arbeit benötigt, um den Drucksteigerungsvorgang durchzuführen. Dies kann mit einem Anteil der bei dem Expansionsvorgang gewonnenen Arbeit ge¬ schehen.Since friction cannot be completely ruled out, a certain amount of work is likely to be required to carry out the pressure increase process. This can be done with a portion of the work gained in the expansion process.

Bei einem praktischen Beispiel liegt der Ausgangszustand bei einem Druck von ungefähr 40 bar und einer Temperatur von ungefähr 290 K. Der Expansionsvorgang kann dann bei einem Druck im Bereich von 1 bar beendet werden. Bei diesem End¬ druck wird dann eine Temperatur im Bereich von 100 K ange¬ strebt.In a practical example, the initial state is at a pressure of approximately 40 bar and a temperature of approximately 290 K. The expansion process can then be terminated at a pressure in the range of 1 bar. At this final pressure, a temperature in the range of 100 K is then sought.

OMPI Meereswasser ist vorzüglich als Umgebungswärmequelle geeignet.OMPI Sea water is particularly suitable as an ambient heat source.

Eine besonders bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist durch einen Behälter zur Speicherung des Arbeitsmediums im Ausgangszustand, eine Expansionsvorrichtung, welche mit dem Behälter über ein Ventil verbunden ist, eine Verdichtungsmaschine zur Durchführung des Drucksteigerungs- vorgangs, welche auf das durch die ExpansionsVorrichtung expandierte Arbeitsmedium wirkt und welche mit dem Be¬ hälter über ein zweites Ventil verbunden ist,gekennzeichnet.A particularly preferred device for carrying out the method is a container for storing the working medium in the initial state, an expansion device which is connected to the container via a valve, a compression machine for carrying out the pressure increase process, which acts on the working medium expanded by the expansion device and which is connected to the container via a second valve.

Besonders bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind in den Ansprüchen 30 bis 36 angegeben.Particularly preferred embodiments of the device for carrying out the method are specified in claims 30 to 36.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 8 näher erläutert. Die Figuren 1 bis 8 zeigen:The invention is explained in more detail below with reference to FIGS. 1 to 8. Figures 1 to 8 show:

Fig. 1 ein. Temperatur-Entropie-Diagramm für Helium im Be¬ reich von 0 bis 320° K,Fig. 1 a. Temperature entropy diagram for helium in the range from 0 to 320 ° K,

Fig. 2 ein Temperatur-Entropie-Diagramm für Wasserstoff im Bereich von 10 bis 250° K,2 shows a temperature-entropy diagram for hydrogen in the range from 10 to 250 ° K,

Fig. 3 ein Temperatur-Entropie-Diagramm für Neon im Bereich von 24 bis 100 K, ein möglicher rechtsläufiger Krei, prozeß ist auf diesem Diagramm gezeichnet,3 shows a temperature-entropy diagram for neon in the range from 24 to 100 K, a possible right-handed circle, the process is drawn on this diagram,

Fig. 4 ein Temperatur-Entropie-Diagramm für Stickstoff, zwei mögliche rechtsläufige Kreisprozesse sind auf diesem Diagramm gezeichnet,4 shows a temperature-entropy diagram for nitrogen, two possible right-handed circular processes are drawn on this diagram,

Fig. 5 ein Temperatur-Entropie-Diagramm für Luft, auf dem ein. zweistufiger rechtsläufiger Kreisprozeß gezeichnet ist, Fig. 6 ein weiteres -s-Diagramm für Luft, auf dem ein einfacher und erfindungsgemäß bevorzugter rechts¬ läufiger Kreisprozeß gezeichnet ist,Fig. 5 is a temperature-entropy diagram for air on which a. two-stage clockwise circular process is drawn, 6 shows a further -s diagram for air, on which a simple right-handed circular process preferred according to the invention is drawn,

Fig. 7 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsge¬ mäßen Verfahrens und7 shows a device for carrying out the method according to the invention and

Fig. 8 eine weitere Ausbildung der Ausführungsform gemäß Fig. 7.8 shows a further embodiment of the embodiment according to FIG. 7.

Es folgen nunmehr Erläuterungen zu den einzelnen Figuren:Explanations for the individual figures now follow:

Fig. 1 zeigt ein Temperatur-Entropie-Diagramm (nachfolgend T-s-Diagramm für reines Helium als Arbeitsgas . Dieses Diagramm unterscheidet sich von allen übrigen Diagrammen vor allem dadurch, daß die V-S-I-Linie im Gebiet der Außentemperaturen (ca. 290 K) rechts von allen Isobaren von 1 bar und darüber verläuft, so daß keine Möglichkeit besteht, im Ausgangspunkt 1 des rechtsläufigen Kreisprozesses einen nennenswerten Gasdruck zu erreichen, ohne die V-S-I-Linie zu kreuzen. Dies gilt für das Temperatur-Intervall von 290° K bis ca. 100 K bei reinem Helium als Arbeitsmedium. Das schließt aber nicht aus, daß Gemische von reinem Helium mit anderen Gasen (z.B. Neon) mit einem mäßigen Gehalt an reinem Helium auch für rechtsläufige Kreisprozesse mit Erfolg verwendet werden können, wenn in solchen Mischgas-Diagrammen die V-S-rϊ- Linie deutlich links von den Isobarlinien verbleibt.Fig. 1 shows a temperature-entropy diagram (hereinafter Ts-diagram for pure helium as working gas. This diagram differs from all other diagrams mainly in that the VSI line in the area of outside temperatures (approx. 290 K) to the right of All isobars run from 1 bar and above, so that there is no possibility of reaching a significant gas pressure in the starting point 1 of the clockwise cycle without crossing the VSI line.This applies to the temperature interval from 290 ° K to approximately 100 K for pure helium as the working medium, but that does not exclude that mixtures of pure helium with other gases (eg neon) with a moderate content of pure helium can also be used successfully for clockwise-cycle processes if the VS in such mixed gas diagrams -rϊ- line remains clearly to the left of the isobar lines.

Bei Fig. 2, dem T-s-Diagramm für Wasserstoff, besteht ein ähnlicher Mangel wie bei Fig. 1, weil auch hier die V-S-I- Linie störend wirkt und rechtsläufige Kreisprozesse bei Außen¬ temperatur unmöglich macht, wenn auch der Anteil des brauch¬ baren Diagrammgebietes rechts der V-S-I-Linie wesentlich größer ist, als bei Helium-Diagrammen. Bei Wasserstoff als Arbeitsgas kommt noch hinzu, daß die Explosionsgefahr bei diesem Gas seine Verwendung als Arbeitsmedium nicht ratsam erscheinen läßt.In Fig. 2, the Ts diagram for hydrogen, there is a similar defect as in Fig. 1, because here too the VSI line has a disruptive effect and makes clockwise cycle processes at outside temperature impossible, even if the proportion of the usable diagram area to the right of the VSI line is much larger than with helium diagrams. With hydrogen as In addition, working gas means that the risk of explosion with this gas does not make it seem advisable to use it as a working medium.

Fig. 3 zeigt das T-s-Diagramm von Neon als Arbeitsmedium im niedrigen Temperaturbereich unter 100 K. Das Zusammen¬ spiel der Isobaren und Isenthalpen rechts der V-S-I-Linie im dargestellten Temperaturbereich verrät jedoch, daß Neon als Arbeitsmedium sich vorzüglich für Kälte-Anlagen unter 100 K eignet, wobei die rechtsläufigen Kreisprozesse, die in den Dreiecken 1-5c.-6-1 und 3-5a-5b-3 dargestellt sind, einen Überschuß an Nutzarbeit gegenüber den linksläufigen Dreiecken 5c-2-5b-5c und 5a-4-5-5a erwarten lassen. Zur Gewinnung von Nutzkälte für Wärmetausch stehen auch die Iso¬ baren 6-1 und 2-5b-3 zur Verfügung, so daß Kälteanlagen nach Fig. 3 in Kombination mit rechtslaufigen Kreisprozessen nach Fig. 4 und Fig. 5 gute Gesamtergebnisse für die Gewinnung von Nutzarbeit aus Wärme erwarten lassen.3 shows the Ts diagram of neon as the working medium in the low temperature range below 100 K. However, the interplay of the isobars and isenthalpics to the right of the VSI line in the temperature range shown reveals that neon as the working medium is particularly suitable for refrigeration systems below 100 K is suitable, the right-handed circular processes, which are shown in the triangles 1-5c.-6-1 and 3-5a-5b-3, an excess of useful work compared to the left-handed triangles 5c-2-5b-5c and 5a-4 -5-5a to be expected. Iso¬ baren 6-1 and 2-5b-3 are also available for the recovery of useful cooling, so that refrigeration systems according to FIG. 3 in combination with clockwise cycle processes according to FIGS. 4 and 5 have good overall results for the recovery of Expect useful work from heat.

Fig. 4 zeigt einen rechtslaufigen Kreisprozess für die Ge¬ winnung von Nutzarbeit aus Umgebungswärme mit Stickstoff als Arbeitsmedium, und zwar in zwei Varianten: 1. bei Verwendung von Isobaren (3a-1) und 2. die Verwendung von Isochoren (3b-1). Die Isochoren-Variante hat den Vorteil, daß die Kompressions- arbeit zwischen den Prozeßpunkten 2 bis 3b wesentlich geringer bleibt als die zwischen den Isobaren-Punkten 2 bis 3a. Dadurch wird der Gesamtwirkungsgrad der Anlage entsprechend ver¬ bessert.4 shows a clockwise cycle process for the recovery of useful work from ambient heat with nitrogen as the working medium, in two variants: 1. when using isobars (3a-1) and 2. when using isochores (3b-1) . The isochoric variant has the advantage that the compression work between the process points 2 to 3b remains significantly less than that between the isobar points 2 to 3a. As a result, the overall efficiency of the system is improved accordingly.

Fig. 5 zeigt das T-s-Diagramm eines rechtsläufigen Kreis¬ prozesses für trockene Luft als Arbeitsmedium. Dieses Aus- führungsbeispiel soll auch zeigen, daß für gewisse Medien meh¬ rere adiabatisch-entropische Entspannungsstufen nebeneinander verwendet werden können, besonders wenn die steileren Isochoren5 shows the T-s diagram of a clockwise cycle process for dry air as the working medium. This exemplary embodiment is also intended to show that, for certain media, several adiabatic-entropic relaxation stages can be used side by side, especially if the steeper isochors

ΓRE _ statt der weniger steilen Isobaren die Verbindung zwischen den nebeneinander geführten lotrechten Stufen durchführen.ΓRE _ Instead of the less steep isobars, make the connection between the vertical steps that are next to each other.

Die Erfindung wird nun besonders anhand der -Fig. 6 noch näher erläutert:The invention is now particularly based on the -Fig. 6 explained in more detail:

In Fig. 6 ist in einem Temperatur-Entropie-Diagra m für trockene Luft ein rechtsläufiger Kreisprozeß 1-2-3-1 dargestellt. Punkt 1 dieses Prozesses ist ein Behälter mit trockener Luft von etwa 40 bar Druck bei einer angenommenen Außentemperatur von 290° K. Zwischen Behälter 1 und dem Behälter 2 erfolgt die adiabatisch-isentropische Entspannung der gepreßten Luft unter Leistung von Nutzarbeit in einer oder mehreren Expan¬ sionsmaschinen (z.B. Druckluftmotoren nach Atlas Copco) . Auf gute Isolation der Expansionsmaschinen gegen Wärmeübergang von und nach außen ist besonderer Wert zu legen. Der Behälter 2 nimmt laufend die entspannte und abgekühlte Arbeitsluft von etwa 1 bar Druck und ca. 100 K auf. Punkt 3 ist wieder ein Gasbehälter, der die Aufgabe hat, das Arbeitsme¬ dium Luft aufzunehmen, das zwischen Prozeßpunkt 2 und 3 isen- thalpisch auf etwa 13 bar komprimiert wird bei etwa 118 K Temperatur. Ein Teil der bei der Kompression zwischen 2 und 3 erzeugten Wärme kann durch einen Wärmetauscher (WT) zwischen 2 und 3 aufgenommen werden, so daß die Arbeitsluft im Behäl¬ ter 3 auf etwa 118 K eingestellt werden kann. Zwischen Pro¬ zeßpunkt 3 und Kessel 1 liegt eine Isochore des T-s-Diagramms des Arbeitsmediums Luft. Das bedeutet, daß dieser Teil der Anlage dadurch gekennzeichnet ist, daß er ein konstantes Vo¬ lumen für eine bestimmte Menge Arbeitsgas aufweist. In derIn Fig. 6 a right-handed cycle 1-2-3-1 is shown in a temperature-entropy diagram for dry air. Point 1 of this process is a container with dry air of about 40 bar pressure at an assumed outside temperature of 290 ° K. Between container 1 and container 2 the adiabatic-isentropic relaxation of the compressed air takes place with the performance of useful work in one or more expanders sion machines (e.g. air motors according to Atlas Copco). Particular importance must be attached to the good insulation of the expansion machines against heat transfer from and to the outside. The container 2 continuously receives the relaxed and cooled working air of about 1 bar pressure and about 100 K. Point 3 is again a gas container, which has the task of taking up the working medium air, which is compressed between process points 2 and 3 to about 13 bar at about 118 K temperature. Part of the heat generated during the compression between 2 and 3 can be absorbed by a heat exchanger (WT) between 2 and 3, so that the working air in the container 3 can be set to approximately 118 K. An isochore of the T-s diagram of the working medium air lies between process point 3 and boiler 1. This means that this part of the system is characterized in that it has a constant volume for a certain amount of working gas. In the

3 Fig. 6 ist diese Isochoren-Linie mit V = 600 dm /kmol be¬ zeichnet. Die Verwendung dieser Isochore (V = 600) anstelle einer Isobare 40 bar, die auch auf den Prozeß-Punkt 1 zuführen würde, hat u-a. den Vorteil, daß die Kompressionsarbeit zwi¬ schen den Punkten 2 und 3 verringert wird. Diese Isochore6, this isochoric line is designated V = 600 dm / kmol. The use of this isochore (V = 600) instead of an isobar 40 bar, which would also lead to process point 1, has u-a. the advantage that the compression work between points 2 and 3 is reduced. This isochore

OMPI kann man etwa als "Aufheizungsstrecke" des rechtsläufigen Kreisprozesses betrachten; denn dieser Teil der Anlage hat als einziger die wichtige Aufgabe, durch die Umgebungswärme von 290 K, die ja im allgemeinen in beliebiger Menge zur Verfügung steht, das Arbeitsmedium Luft wieder auf die Aus¬ gangstemperatur (290 K) aufzuheizen und gleichzeitig den Druck des Kessels 1 wieder auf den vollen Ausgangsdruck von 40 bar zu bringen. Fig. 6 zeigt, daß diese Bedingung gerade durch dieOMPI can be seen as the "heating section" of the clockwise cycle; because this part of the system is the only one that has the important task of heating the working medium air back to the initial temperature (290 K) and at the same time the pressure of the boiler through the ambient heat of 290 K, which is generally available in any quantity 1 to bring it back to the full outlet pressure of 40 bar. Fig. 6 shows that this condition just by the

3 Isochore 3 - 1 (V = 600 dm /kmol) erfüllt wird. Bei näherer3 Isochore 3 - 1 (V = 600 dm / kmol) is fulfilled. On closer

Betrachtung erkennt man aber auch, daß für den störungs¬ freien Ablauf des rechtslaufigen Kreisprozesses 1-2-3-1 unbedingt erforderlich ist, daß im Volumen der "Aufheizungs- strecke" 3-1 ständig die gleiche Menge Arbeitsluft zugeführt werden muß, die durch das Ventil zwischen Kessel 1 und der Expansionsmaschine dem Kessel 1 entnommen wird.Consideration can also be seen, however, that in order for the right-hand cycle 1-2-3-1 to run smoothly, it is absolutely necessary that the same amount of working air that has to be fed in must be constantly supplied in the volume of the "heating section" 3-1 the valve between boiler 1 and the expansion machine is removed from boiler 1.

Für den beschriebenen Prozeß nach Fig. 6 wurde trockene Luft als Arbeitsmedium ausgewählt, welche wie in dem von Atlas Copco herausgegebenen Handbuch begründet "reversibles" Gas ist, d.h. bei der Entspannung Wärme in Nutzarbeit umsetzt.For the process described in FIG. 6, dry air was selected as the working medium which, as established in the manual published by Atlas Copco, is "reversible" gas, i.e. converts heat into useful work during relaxation.

Es wurde bisher im Beispiel der Fig. 6 nicht besonders unter¬ sucht, welche Möglichkeiten bestehen, die Abkühlung zwischen den Prozeßpunkten 2 und 3 durch Wärmetauscher (WT) durchzu¬ führen, weil die Möglichkeit, durch Arbeit Kälte zu erzeugen, in der Fachwelt bekannt ist, und weil aus der Fig. 6 offensicht¬ lich ist, daß die bei der Entspannung 1- 2 gewonnene Arbeit ein Vielfaches der Arbeitsmenge beträgt, die für den Wärme- tausch von Punkt 2 bis Punkt 3 erforderlich ist. Vorsorglich wird auch darauf hingewiesen, daß in dem in Fig. 3 gezeichneten Prozeß 1-2-3-4-5-6-1 oder in einem Teil-Prozeß mehrfach Möglichkeiten für Kühlanlagen für Wärmetauscher geboten werden, z.B. die Prozeßlinien der Fig. 3: 4 bis 5 oder 2 bis 3. Eine mögliche Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird nun anhand von Fig. 7 beschrieben. In dieser Figur stellt 1 einen Speicherbehälter dar, welcher vor Inbetrieb¬ nahme der Anlage mit dem ausgewählten Arbeitsmedium, bevor¬ zugt Luf , gefüllt wird. Diese Füllung kann durch das Ventil 12 und die Leitung 13 erfolgen. Der Behälter 11 ist über eine weitere Leitung 14 und ein weiteres Ventil 15 mit einer Expansionsvorrichtung 16 verbunden. Durch Öffnen des Ventils 15 kann das in dem Behälter 11 unter Druck stehende Arbeitsmedium in die Expansionsvorrichtung strömen. Hier wird es expandiert mit der gleichzeitigen Abnahme von Nutzarbeit über die Ausgangswelle 17. Aufgrund dieser Ex¬ pansion und der Abnahme von Nutzarbeit strömt das Arbeits¬ medium über die weitere Leitung 18 aus der Expansionsvor- richtung in eine Verdichtungsmaschine 19. Die Verdichtungs- maschine, welche hier als eine einfache Kolben-in-Zylinder- anordnung^' ausgebildet ist, ist über eine weitere Leitung 20 und ein weiteres Ventil 21 mit dem Behälter 11 verbunden.In the example in FIG. 6, it has not been particularly examined what possibilities exist to carry out the cooling between process points 2 and 3 by means of heat exchangers (WT), because the possibility of generating cold by work is known in the specialist world and because it is obvious from FIG. 6 that the work gained during relaxation 1-2 is a multiple of the amount of work required for the heat exchange from point 2 to point 3. As a precaution, it is also pointed out that in the process 1-2-3-4-5-6-1 shown in FIG. 3 or in a partial process, multiple possibilities for cooling systems for heat exchangers are offered, for example the process lines of FIG. 3 : 4 to 5 or 2 to 3. A possible device for carrying out the method will now be described with reference to FIG. 7. In this figure, 1 represents a storage container which is filled with the selected working medium, preferably air, before the system is started up. This filling can take place through the valve 12 and the line 13. The container 11 is connected to an expansion device 16 via a further line 14 and a further valve 15. By opening the valve 15, the working medium under pressure in the container 11 can flow into the expansion device. Here it is expanded with the simultaneous decrease in useful work via the output shaft 17. Because of this expansion and the decrease in useful work, the working medium flows via the further line 18 from the expansion device into a compression machine 19. The compression machine, which is designed here as a simple piston-in-cylinder arrangement ^' is connected to the container 11 via a further line 20 and a further valve 21.

Bei Inbetriebnahme der Anlage wird zunächst das Arbeitsmedium durch die Leitung 13 im Behälter 11 eingeführt. Die Ventile 15 und 21 sind zunächst offen und das Arbeitsmedium strömt durch die gesamte Vorrichtung und wird zuerst durch Entlüftungsventile an eine geeignete Stelle (nicht gezeigt) geführt, um sicherzugehen, daß alle Räume und Leitungen der Anlage mit dem Arbeitsmedium gefüllt sind. Zu diesem Zeit¬ punkt wird das Entlüftungsventil, welches möglichst in der Nähe der Verdichtungsmaschine liegt, geschlossen und auch die beiden Ventile15 und 21. Zu diesem Zeitpunkt sollte auch der im System vorherrschende Druck bei annähernd 1 bar liegen. Der Behälter wird dann auf den Ausgangsdruck gebracht durch Einfüllung über das Ventil 12 und die Leitung 13. Mit Luft als Arbeitsmedium beträgt dieser Druck bevorzugt 40 bar. Der Behälter 11, welcher z.B. in Meereswasser getaucht ist.When the system is started up, the working medium is first introduced into the container 11 through the line 13. The valves 15 and 21 are initially open and the working medium flows through the entire device and is first led to a suitable location (not shown) by venting valves to ensure that all rooms and lines of the system are filled with the working medium. At this time, the vent valve, which is as close as possible to the compression machine, is closed and also the two valves 15 and 21. At this point in time, the pressure prevailing in the system should also be approximately 1 bar. The container is then brought to the initial pressure by filling through the valve 12 and the line 13. With air as the working medium, this pressure is preferably 40 bar. The container 11, which e.g. is immersed in sea water.

OMPI kommt durch Wärmetausch mit der Umgebung auf die Umgebungs¬ temperatur. Diese ist schematisch durch die Pfeile 23 an¬ gedeutet, welche die Zuströmung -von Wärme aus der Um¬ gebung bedeuten. Sobald das Arbeitsmedium im Behälter 11 den erwünschten Ausgangsdruck von 40 bar und die Umgebungs¬ temperatur erreicht hat, wird das Ventil 15, wie oben be¬ schrieben,geöffnet. Da der ganze Inhalt des Behälters 11 in der Verdichtungsmaschine 19 bei wesentlich niedrigerem Druck aufgenommen werden soll, muß das Volumen der Druck¬ kammer 24 der Verdichtungsmaschine wesentlich größer sein als das des Behälters. Da nach dem Expansionsvorgang der Druck in die Kammer 24 nicht wesentlich größer als 1 bar sein sollte und nach Möglichkeit 2 bar nicht überschreiten sollte, wird ein Volumen für die Kammer 24 von ungefähr 30 mal dem Volumen des Behälters 11 vorgeschlagen. Das Volumen der Kammer 24 braucht nicht vierzigfach so groß sein wie das Volumen des Behälters 11, weil aufgrund der Expansionsmaschine eine^' wesentlich niedrigere Temperatur in der Kammer 24 herrscht. Sobald der Inhalt des Behälters 11 vollständig durch die Ex¬ pansionsmaschine geflossen ist, wird durch Bewegung des Kol¬ bens 25 bei geschlossenem Ventil 21 eine isenthalpische Ver¬ dichtung des Arbeitsmediums durchgeführt, bis dieser auf einen Druck von 15 bar gebracht wird. Bei dieser isenthalpi¬ schen Verdichtung muß nur eine kleine Menge Arbeit geleistet werden, um vorhandene Reibung zu überwinden. Diese Arbeit kann von der Ausgangswelle 17 der Expansionsmaschine abge¬ zapft werden und zwar über eine Kupplung und ein Getriebe 26. Die Kupplungs- und Getriebeeinheit 26 wird von^:.einem .Zahnrad . 27, welches mit einer Verzahnung 28 der Kolbenstange 29 zu¬ sammenarbeitet,angetrieben, um die notwendige Bewegung der Kolben in die mit gestrichelten Linien dargestellte Stellung zu bewirken. Die mechanischer.Verbindungen zwischen der Kupplung- und Getriebeeinheit und der Ausgangswelle 17 der Expansions¬ vorrichtung und dem Zahnrad 27 sind lediglich schematisch mit den gestrichelten Linien 31 und 32 angedeutet. Am Ende desOMPI comes to the ambient temperature through heat exchange with the surroundings. This is indicated schematically by the arrows 23, which mean the inflow of heat from the environment. As soon as the working medium in the container 11 has reached the desired outlet pressure of 40 bar and the ambient temperature, the valve 15 is opened as described above. Since the entire contents of the container 11 are to be accommodated in the compression machine 19 at a substantially lower pressure, the volume of the pressure chamber 24 of the compression machine must be significantly larger than that of the container. Since the pressure into the chamber 24 should not be significantly greater than 1 bar after the expansion process and should not exceed 2 bar if possible, a volume for the chamber 24 of approximately 30 times the volume of the container 11 is proposed. The volume of the chamber 24 does not need to be forty times as large as the volume of the container 11, because the expansion machine has a ^' much lower temperature in the chamber 24. As soon as the contents of the container 11 have completely flowed through the expansion machine, the working medium is compressed by moving the piston 25 with the valve 21 closed until it is brought to a pressure of 15 bar. With this isenthalpic compression, only a small amount of work has to be done to overcome the existing friction. This work can be tapped off from the output shaft 17 of the expansion machine, specifically via a clutch and a gearbox 26. The clutch and gearbox unit 26 is made up of ^: a gearwheel. 27, which cooperates with a toothing 28 of the piston rod 29, is driven in order to bring about the necessary movement of the pistons into the position shown in broken lines. The mechanical connections between the clutch and transmission unit and the output shaft 17 of the expansion device and the gearwheel 27 are only indicated schematically by the dashed lines 31 and 32. At the end of

Drucksteigerungsvorganges sind die Ventile 21 und 15 ge¬ schlossen. Durch Öffnen des Ventil 21 strömt das Arbeits¬ medium wieder in den Behälter 11 zurück. Das Ventil wird sofort danach geschlossen und der Kolben wird wieder in die in Fig. 7 mi -^'.durchgezogener Linie dargestellte Stellung zurückgebracht. Das Arbeitsmedium im Behälter hat zu diesem Zeitpunkt eine Temperatur von ungefähr 120 K und einen Druck von ungefähr 15 bar und wird allmählich durch die Wärmezustrom 23 von der Umgebung wieder auf den Ausgangs¬ zustand mit 40 bar und 290 K zurückgebracht. Sobald dieser Ausgangszustand wieder erreicht ist, kann durch öffnen des Ventils 15 der ganze Zyklus nochmal durchgeführt werden. Da man eine Aufheizung des Arbeitsmediums in der Expansions¬ maschine und in der Verdichtungsmaschine verhindern will, sollten beide Teile und die diese Teile verbindende Leitung 18 gut isoliert sein. Diese Isolierung ist mit Schrägstrichen und dem Bezugszeichen 33 angedeutet. Ein Rückschlagventil 34 sorgt dafür,daß keine Rückströmüng aus der Verdichtungs- maschine in die Expansionvorrichtung stattfindert. Außerdem wird die Eingangsstelle der Leitung 18 in die Verdichtungs¬ maschine so gelegt, daß nach einer ersten kurzen Bewegung des Kolbens 25 keine Verbindung mehr mit der Kammer 24 existiert. Sollten etwaige Verluste des Arbeitsmediums auftreten, so können diese durch Nachfüllung des Behälters 11 über die Leitung 13 und das Ventil 12 ausgeglichen werden.

Valve 21 and 15 are closed to increase the pressure. By opening the valve 21, the working medium flows back into the container 11. The valve is then closed immediately and the flask is again in the in 7 mi - returned ^{'.durchgezogener} line position shown.. At this point in time, the working medium in the container has a temperature of approximately 120 K and a pressure of approximately 15 bar and is gradually brought back to the initial state of 40 bar and 290 K by the heat flow 23 from the environment. As soon as this initial state is reached again, the entire cycle can be carried out again by opening the valve 15. Since one wants to prevent the working medium from heating up in the expansion machine and in the compression machine, both parts and the line 18 connecting these parts should be well insulated. This insulation is indicated with slashes and the reference number 33. A check valve 34 ensures that no backflow takes place from the compression machine into the expansion device. In addition, the entry point of the line 18 is placed in the compression machine so that after a first brief movement of the piston 25 there is no longer any connection with the chamber 24. Should any losses of the working medium occur, these can be compensated for by refilling the container 11 via the line 13 and the valve 12.

Eine Weiterentwicklung —der Anlage gemäß Fig. 7 ist in der Fig. 8 gezeichnet.A further development of the system according to FIG. 7 is shown in FIG. 8.

Da die Ausführungsform gemäß Fig. 7 nur stufenweise arbeiten kann, d.h. da Nutzarbeit nur über einen Bruchteil des Kreis¬ prozesses gewonnen werden kann, wird bei der Weiterbildung gemäß Fig. 8 vorgesehen, daß mehrere Behälter 11, 11 ', 11" über jeweilige Leitungen 14, 14', 14" und jeweilige Ventile 15, 15', 15" mit der ExpansionsVorrichtung der Verdichtungs-Since the embodiment according to Fig. 7 can only work in stages, i.e. Since useful work can only be obtained over a fraction of the cycle process, in the development according to FIG. 8 it is provided that several containers 11, 11 ', 11 "via respective lines 14, 14', 14" and respective valves 15, 15 ', 15 "with the expansion device of the compression

OMPI

maschine vorhanden sind.Die Zahl der Behälter ist natürlich nicht auf drei beschränkt. Es bleibt auch noch die Möglich¬ keit mehrere Verdichtungsmaschinen einzusetzen und diese jeweils mit einer oder mehreren zugeordneten Behältern über entsprechende Ventile zu verbinden. Bei der Anordnung gemäß Fig. 8 wird jedoch nur eine Verdichtungsmaschine eingesetzt und diese Maschine ist über die Leitungen 22' ,22" mit den zugeordneten Behältern 11', 11" verbunden. Die gemeinsamen Teile der beiden Ausführungsformen gemäß Fig. 8 und Fig. 7 sind mit gleichen Bezugszahlen identifiziert.OMPI

The number of containers is of course not limited to three. It is also still possible to use several compression machines and to connect them to one or more assigned containers via corresponding valves. In the arrangement according to FIG. 8, however, only one compression machine is used and this machine is connected to the associated containers 11 ', 11 "via the lines 22', 22". The common parts of the two embodiments according to FIGS. 8 and 7 are identified with the same reference numbers.

Fig. 8 zeigt außerdem einen..Computer 40, welcher..über Steuer¬ leitungen 41 mit den verschiedenen Ventilen und über die Steuerleitung 42 mit der Kupplung- und Getriebeinheit 26 verbunden ist. Auch die Nachfüllfunktion kann vom Computer über die Steuerleitung 43 und das Ventil 12 gesteuert werden. Es wird ohne weiteres ersichtlich, daß ein Computer ein geeignetes Mittel ist, um den zeitlichen Ablauf des Öffnens und Schließens der einzelnen Ventile zu steuern.8 also shows a computer 40 which is connected to the various valves via control lines 41 and to the clutch and transmission unit 26 via the control line 42. The refill function can also be controlled by the computer via the control line 43 and the valve 12. It will be readily apparent that a computer is a suitable means of controlling the timing of the opening and closing of the individual valves.

Schließlich sollte die Möglichkeit erwähnt werden, geeignete Teile der Anlage durch den Einsatz von Wärmetauschern zu kühlen. Dies könnte^'insbesondere wichtig sein, um die Ver¬ dichtungsmaschine 19 im notwendigen Temperaturbereich zu halten. Selbstverständlich soll die Verdichtungsmaschine 19 so viele Kunststoffteile wie möglich enthalten, um Wärme¬ übergang vom Arbeitsmedium weg auf das Material der Ver¬ dichtungsmaschine während des Drucksteigerungsvorganges so klein wie möglich zu halten.Finally, the possibility of cooling suitable parts of the system by using heat exchangers should be mentioned. This could ^'be particularly important to the Ver¬ sealing machine to keep 19 to the necessary temperature range. Of course, the compression machine 19 should contain as many plastic parts as possible in order to keep heat transfer from the working medium to the material of the compression machine as small as possible during the pressure increase process.

Es ist einleuchtend, daß die Expansion vom Punkt 1 bis Punkt 2 des rechtslaufigen Kreisprozesses in der Expansionsvorrichtung 16 stattfindet, daß der isenthalpische Drucksteigerungsvor¬ gang von Punkt 2 auf Punkt 3 in der Verdichtungsmaschine 19 stattfindet und daß die isochorische Temperatur und der isochorische Drucksteigerungsvorgang vom Punkt 3 bis Punkt 1 zurück in den Behälter 11 abläuft.It is obvious that the expansion from point 1 to point 2 of the clockwise cycle takes place in the expansion device 16, that the isenthalpic pressure increase process takes place from point 2 to point 3 in the compression machine 19 and that the isochoric temperature and the Isochoric pressure increase process from point 3 to point 1 runs back into the container 11.

Die genaue Ausbildung der einzelnen Teile der Anlagen wird dem Fachmann aufgrund seines Fachwissens bekannt.The person skilled in the art will know the exact design of the individual parts of the systems on the basis of his specialist knowledge.

In Fig. 6 ist verdeutlicht, daß vor Beginn des Hauptprozesses (1-2-3-1) das gewählte Arbeitsgas von Umgebungstemperatur stufenweise in den sogenannten "Ausgangszustand vom Behälter 1" (gewählte erhöhte Druck bei Umgebungstemperatur) ausgehend vom Punkt 0 versetzt wird.In Fig. 6 it is shown that before the start of the main process (1-2-3-1) the selected working gas is gradually shifted from ambient temperature to the so-called "initial state of container 1" (selected increased pressure at ambient temperature) starting from point 0.

Obwohl bei der Anlage gemäß den Fig. 7 und 8 der Kreisprozeß schrittweise erfolgt, ist es auch erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Kreisprozeß auch kontinuierlich ablaufen kann. Dies bedeutet, z.B. daß das Arbeitsmedium ständig durch die Expansionsvorrichtung fließt, ständig durch die Verdichtungs¬ maschine verdichtet wird und ständig wieder erhitzt wird, damit es wieder in die Expansionsvorrichtung fließen kann. Somit wird Nutzarbeit kontinuierlich gewonnen. Although the cycle is carried out step by step in the system according to FIGS. 7 and 8, it is also provided according to the invention that the cycle can also run continuously. This means e.g. that the working medium flows continuously through the expansion device, is continuously compressed by the compression machine and is constantly heated again so that it can flow back into the expansion device. Thus, useful work is continuously gained.

Claims

Patentansprüche: Claims:

1. Verfahren zur Gewinnung von^' Nutzarbeit aus Umgebungswärme mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses, dadurch g e k -e n n z e i c h. n e t , daß man als Arbeitsmedium ein gasförmiges Medium auswählt, bei dem ,auf einem Tempera¬ tur-Entropie-Diagramm betrachtet, rechts von der Verbin¬ dungslinie der Scheitelpunkte - aufeinanderfolgender Isenthalpen die Isobaren im wesentlichen links abwärts und die Isenthalpen im wesentlichen rechts abwärts ge¬ richtet sind, und daß eine im wesentlichen gleichbleiben¬ de Menge des Gases wiederholt einem rechtsläufigen Kreis¬ prozeß ausgesetzt wird, ausgehend von einem Ausgangszustand mit erhöhtem Druck und im wesentlichen der Umgebungs— temperatur, wobei das Arbeitsmedium zunächst expandiert wird, um dessen Temperatur zu erniedrigen und Arbeit zu gewinnen, ansc .hl,i.eß„end, ei.nem _^Druc,k(szt.eBi.gPeurnuktng2svboirsgPaunngkt/,3 in Fig³. ausgesetzt wird und dann durch .-Zuströmung^* von Um-? gebungswärme wieder auf den Ausgangszustand gebracht wird.1. A process for recovering ^'useful work from ambient heat by means of a thermodynamic cycle, characterized GEK -ennzeic h. net, that one chooses a gaseous medium as the working medium, in which, viewed on a temperature-entropy diagram, to the right of the connecting line of the vertices - successive isenthalpics the isobars essentially left downwards and the isenthalps essentially right downwards ¬ are directed, and that a substantially constant amount of the gas is repeatedly exposed to a clockwise cycle, starting from an initial state with increased pressure and essentially the ambient temperature, the working medium is first expanded to increase its temperature humiliate and gain work Connections .hl, i.eß "end, ei.nem _^ Pressure, k (szt.eBi.gPeurnuktng2svboirsgPaunngkt / 3 is exposed in FIG. ³ and then. ^*-inflow of environmental? gebungswärme is brought back to the initial state.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch g e k e n n ¬ z e i c h n e t , daß die Zuströmung von Umgebungswärme bei konstantem Volumen des gasförmigen Mediums erfolgt, d.h. daß der Ausgangszustand entlang einer Isochore des Temperatur-Entropie-Diagrammes wieder erreicht wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the inflow of ambient heat occurs at a constant volume of the gaseous medium, i.e. that the initial state is reached again along an isochore of the temperature-entropy diagram.

3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch g e k e n n ¬ z e i c h n e t , daß die Zuströmung ' von Ümgebungs¬ wärme bei konstantem Druck des Arbeitsmediums stattfindet, d.h. daß der Ausgangszustand längs einer Isobare wieder erreicht wird.3. The method according to claim 1, characterized g e k e n n ¬ z e i c h n e t that the inflow 'of Ummungsungs heat takes place at constant pressure of the working medium, i.e. that the initial state is reached again along an isobar.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch g e k e n n ¬ z e i c h n e t , daß das Arbeitsmedium durch den Druck¬ steigerungsvorgang auf den Druck des Ausgangszustandes wieder gebracht wird. 4. The method according to claim 3, characterized in that the working medium is brought back to the pressure of the initial state by the pressure increase process.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Druck¬ steigerungsvorgang im wesentlichen isenthalpisch er¬ folgt.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the pressure increase process is essentially isenthalpic.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Expan¬ sionsvorgang im wesentlichen adiabatischr-. bzw. isen- tropisch erfolgt.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the expansion process is essentially adiabatic. or is tropical.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch g e k e n ¬ z e i c h n e t , daß der Expansionsvorgang mehrstufig durchgeführt wird.7. The method according to claim 6, characterized in that the expansion process is carried out in several stages.

8. Verfahren nach einem der Patentansprüche 6 oder 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß auf dem Temperatur- Entropie-Diagramm betrachtet, die Isobaren und die Isenthalpen rechts von der Verbindungsline ein rauten¬ förmiges Muster bilden, wobei die Isobaren und die Isenthalpen gegenüber der lotrechten Entropielinie links- und rechts ungefähr gleiche Winkel aufweisen.8. The method according to any one of claims 6 or 7, characterized in that viewed on the temperature-entropy diagram, the isobars and the isenthalpics to the right of the connecting line form a diamond-shaped pattern, the isobars and the isenthalpics relative to the vertical entroie line have approximately equal angles on the left and right.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß für den Expansions¬ vorgang ausschließlich solche adiabatischen Expansions¬ stufen gewählt werden, welche gleichzeitig isentropisch wirken und Arbeit leisten, so daß jeweils alle zu Gebote stehenden Expansionsstufen tunlichst voll zur Umwandlung von Wärme in Arbeit herangezogen werden.9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that only those adiabatic Expansions¬ stages are selected for the Expansions¬ process, which act isentropically and work at the same time, so that in each case all available expansion stages as far as possible to convert heat into Work.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da¬ durch g e k e n n z e i c h n e t , daß ausgehend von dem Ausgangszustand zunächst eine erste im wesentlichen isentropische Expansion stattfindet, um eine niedrige10. The method according to any one of the preceding claims, characterized by the fact that, starting from the initial state, a first essentially isentropic expansion takes place, by a low one

Temperatur und erniedrigten Druck zu erreichen, daß das Arbeitsmedium durch Zuströmung von Umgebungswärme bei konstantem Druck auf eine höhere Temperatur gebracht wird, daß das Arbeitsmedium dann durch eine weitere im wesentlichen isentropische Expansion auf eine niedrige Temperatur und annähernd atmosphärischen Druck gebracht wird, dann durch einen im wesentlichen isenthalpischen Drucksteigerungsvorgang auf den Ausgangsdruck gebracht wird und anschließend durch Zuströmung von Umgebungs- wärme bei annähernd konstantem Druck wieder auf den Aus¬ gangszustand gebracht wird.

To achieve temperature and reduced pressure, that the working medium is brought to a higher temperature by the inflow of ambient heat at constant pressure, that the working medium is then brought to a low temperature and approximately atmospheric pressure by a further essentially isentropic expansion, then by an im essential isenthalpic pressure increase process is brought to the initial pressure and then brought back to the initial state by the inflow of ambient heat at an approximately constant pressure.

11. Verfahren nach^' Anspruch 10, dadurch g e k e n ¬ z e i c h n e t _f daß zwischen dem zweiten Expansions¬ vorgang und dem im wesentlichen isenthalpischen Druck¬ steigerungsvorgang die Temperatur des Arbeitsmediums bei annähernd konstantem Druck durch ^'- Zuströmung von Umgebungswärme erhöht wird.11. The method according ^'to claim 10, characterized geken characterized ¬ _f that process between the second and the Expansions¬ substantially isenthalpic process Druck¬ increase the temperature of the working medium at an approximately constant pressure ^through' - inflow of ambient heat is increased.

12. Verfahren nach Anspruch der Ansprüche 10 und 11, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Arbeitsmedium Neon ist und als Umgebungstemperatur eine Temperatur unter 250° K benutzt wird.12. The method according to claim 10 and 11, characterized in that the working medium is neon and a temperature below 250 ° K is used as the ambient temperature.

13. Verfahren ^"nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß eine etwaige Abweichung der Entspannungslinie von der Lotrechten nach links oder rechts durch Zu- oder Abfuhr von Wärme zu oder aus dem sich entspannenden Arbeitsmedium korrigiert wird, so daß die Reversibilität aufrechterhalten werden kann und damit auch die Umwandlung von Wärme in Arbeit -vergrößert wird. 13. The method ^" according to any one of the preceding claims, characterized in that a possible deviation of the relaxation line from the vertical to the left or right is corrected by supplying or removing heat to or from the relaxing working medium, so that the reversibility can be maintained and thus the conversion of heat into work is enlarged.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß auf dem Temperatur-Entropie-Diagramm betrachtet, die Konturen des Kreisprozesses die Verbindungslinie der Scheitel¬ punkte aufeinanderfolgender Isenthalpen weder berühren noch kreuzen.14. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that when viewed on the temperature-entropy diagram, the contours of the cyclic process neither touch nor cross the connecting line of the vertices of successive isenthalpics.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß ein Wärme¬ tauscher benutzt wird, um den Drucksteigerungsvorgang annähernd isenthalpisch zu halten.15. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a heat exchanger is used to keep the pressure increase process approximately isenthalpic.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Expansions¬ vorgang gegen Wärmeübergang von und nach Außen gut iso¬ liert durchgeführt wird.16. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the expansion process against heat transfer from and to the outside is carried out in a well-insulated manner.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Übergang von Wärme vom Arbeitsmedium auf die zur Durchführung des Drucksteigerungsvorganges benutzten Vorrichtung durch Isolation so klein wie möglich gehalten wird.17. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the transfer of heat from the working medium to the device used to carry out the pressure increase process is kept as small as possible by insulation.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß als Arbeits¬ medium Stickstoff, Luft, Sauerstoff oder Neon benutzt wird.18. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that nitrogen, air, oxygen or neon is used as the working medium.

19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß als Arbeits¬ medium ein Gasgemisch benutzt wird.19. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a gas mixture is used as the working medium.

20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Arbeits¬ medium beim Ausgangspunkt in einem Behälter gespeichert20. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the working medium is stored in a container at the starting point

OMPI wird, durch öffnen eines Ventils in eine Expansions- vorrichtung geleitet wird, daß nach der Expansion das Arbeitsmedium in einerVerdichtungsmaschine verdichtet wird, um den Drucksteigerungsvorgang durchzuführen und daß es nach dem Drucksteigerungsvorgang durch Öffnen eines Ventils wieder in den Behälter geleitet wird.OMPI by opening a valve in an expansion device, that after expansion the working medium is compressed in a compression machine to carry out the pressure increase process and that after the pressure increase process it is returned to the container by opening a valve.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch g e k e n n ¬ z e i c h n e t , daß mehrere Behälter mit der Expansions- Vorrichtung über jeweilige Ventile verbunden sind, um die in den jeweiligen Behältern gespeicherten Arbeitsmedien nachein¬ ander durch die ExpansionsVorrichtung zu expandieren.21. The method according to claim 20, characterized in that a plurality of containers are connected to the expansion device via respective valves in order to expand the working media stored in the respective containers one after the other through the expansion device.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die erforderlichen Ventile von einem Computer gesteuert werden.22. The method according to any one of claims 20 to 22, characterized in that the required valves are controlled by a computer.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch g e k e n n z e i c h n e t -, daß die ^'Zuströmung von Umgebungswärme in dem bzw. in den Behälter(n) erfolgt.23. The method according to any one of claims 20 to 22, characterized - that the ^' inflow of ambient heat takes place in or in the container (s).

24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da¬ durch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Druckstei¬ gerungsvorgang mit einem Anteil der bei dem Expansions¬ vorgang gewonnenen Arbeit durchgeführt wird.24. The method according to any one of the preceding claims, characterized by the fact that the pressure increase process is carried out with a portion of the work obtained in the expansion process.

25. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11, 12 bis 17, 19 bis 24, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß als Ausgangszustand ein Druck von ungefähr 100 bar und eine Temperatur von ungefähr 290 K gewählt werden. 25. The method according to any one of the preceding claims 1 to 11, 12 to 17, 19 to 24, characterized in that a pressure of approximately 100 bar and a temperature of approximately 290 K are selected as the initial state.

26. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11, 12 bis 17, 19 bis 25, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß der Expansionsvorgang bei einem Druck im Bereich von 1 bar beendet wird.26. The method according to any one of the preceding claims 1 to 11, 12 to 17, 19 to 25, characterized in that the expansion process is ended at a pressure in the range of 1 bar.

27. Verfahren nach Anspruch^' 26, dadurch . g e k e n-n z e i c h ¬ nn ee tt ,, ddaaßß bbeeii eeiinneerr TTeemmppeerraattuurr iimm Bereich von 100° K der Expansionsvorgang beendet wird.27. The method of claim ^'26, characterized. geke nn dre ¬ nn ee tt ,, that bbeeii eeiinneerr TTeemmppeerraattuurr in the range of 100 ° K the expansion process is terminated.

28. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11, 12 bis 17, 19 bis 27, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß Meereswasser als Umgebungswärmequelle benutzt wird.28. The method according to any one of the preceding claims 1 to 11, 12 to 17, 19 to 27, characterized in that sea water is used as the ambient heat source.

29. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t durch einen Behälter zur Speicherung des Arbeitsmediums im Ausgangszustand,^' eine Expansionsvorrichtung, welche mit dem.Behälter über ein Ventil verbunden ist, eine Verdichtungsmaschine zur Durchführung des Drucksteigerungs¬ vorgangs, welche auf das durch die Expansions.vorrichtung expandierte Arbeitsmedium wirkt und welche mit dem Be¬ hälter über ein zweites Ventil verbunden ist.29. Apparatus for carrying out the method according to one of the preceding claims, characterized by a container for storing the working medium in the initial state, ^'an expansion device, which is connected to dem.Behälter via a valve, a compacting machine for carrying out the Drucksteigerungs¬ process, which on the working medium expanded by the expansion device acts and which is connected to the container via a second valve.

OMPI OMPI

30. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch g e e n n ¬ z e i c h n e t , daß eine Mehrzahl von Behältern vor¬ handen sind und über jeweilige Ventile mit der Expansions¬ vorrichtung verbunden sind, so daß die in dem einzel¬ nen Behälter gespeicherten Arbeitsmedien nacheinander durch die Expansionsvorrichtung expandieren können.30. The device according to claim 29, characterized in that a plurality of containers are present and are connected to the expansion device via respective valves, so that the working media stored in the individual container can expand in succession through the expansion device .

31. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch g e e n n ¬ z e i c h n e t , daß die aus der Expansionsvorrichtung austretenden Gase in nur einer Verdichtungsmaschine verdichtet werden und dann über entsprechende Ventile in die zugeordneten Behälter hineingelassen werden.31. The device according to claim 28, characterized in that the gases emerging from the expansion device are compressed in only one compression machine and are then let into the assigned containers via corresponding valves.

32. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 29 bis^* 31 dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß sämtliche Ventile von einem Computer gesteuert werden.32. Device according to one of the preceding claims 29 to ^* 31, characterized in that all valves are controlled by a computer.

33. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 32, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Expansionsvorrichtung mit Isolation versehen ist, um den Wärmeübergang von und nach- außen zu verhinden.33. Device according to one of claims 29 to 32, characterized in that the expansion device is provided with insulation in order to prevent heat transfer from and to the outside.

34. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 33, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Verdichtungsma¬ schine gut isoliert ist, um eine Temperaturerhöhung der Verdichtungsmaschine aufgrund einer Temperatursteigerung des Arbeitsmediums während des Drucksteigerungsvorganges so klein wie möglich zu halten.34. Device according to one of claims 29 to 33, characterized in that the compression machine is well insulated in order to keep a temperature increase of the compression machine as small as possible due to a temperature increase of the working medium during the pressure increase process.

35. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 34, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß Mittel vorhanden sind, um die Verdichtungsmaschine mit der Expansionsvorrichtung anzutreiben.35. Device according to one of claims 29 to 34, characterized in that means are provided for driving the compacting machine with the expansion device.

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OMPI 6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 29 bis 36, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß Wärmetauscher eingesetzt sind, um die Wirtschaftlich¬ keit des Verfahrens zu verbessern. OMPI 6. Device according to one of the preceding claims 29 to 36, characterized in that heat exchangers are used to improve the economy of the process.