WO2006037291A1

WO2006037291A1 - Verfahren und vorrichtungen zur nutzung von wärmeenergie sowie deren anwendungen

Info

Publication number: WO2006037291A1
Application number: PCT/DE2005/001704
Authority: WO
Inventors: Martin Ziegler
Original assignee: Martin Ziegler
Priority date: 2004-10-01
Filing date: 2005-09-27
Publication date: 2006-04-13
Also published as: DE102004047896A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein neue Gattung von Verfahren und Vorrichtungen zur Nutzung von Wärmeenergie unter Verwendung eines rechtslaufenden dynamischen Kreisprozesses, sowie deren Anwendungen. Bei einem dynamischen Kreisprozess ist die Geschwindigkeit des Arbeitsmediums eine Zustandsvariable. Die Vorrichtung gewinnt ihre Nutzarbeit in einem adiabat-isobaren Arbeitsprozess mittels einer Gleichdruckturbine und kann ohne Kühler ausgeführt werden. Damit kann die in Luft oder Wasser gespeicherte Solarenergie bei Umgebungstemperatur technisch genutzt werden. Anwendungen der Vorrichtung sind der Transport von Personen und Gütern, der Transport von Flüssigkeiten oder Gasen, die Änderung des Drucks von Fluiden, die Erzeugung von elektrischem Strom, die Entsalzung von Meerwasser, die Erzeugung von Wasserstoff, das Kühlen von festen, flüssigen oder gasförmigen Medien, die Verflüssigung von Gasen oder Dämpfen, und die Erzeugung von Heizwärme, wobei eine Vorrichtung auch mehrere Anwendungen gleichzeitig oder nacheinander ausführen kann.

Description

Verfahren und Vorrichtungen zur Nutzung von Wärmeenergie sowie deren Anwendungen

Die Erfindung betrifft eine neue Gattung von Verfahren und Vorrichtungen zur Nutzung von Wärmeenergie mit Hilfe eines rechtslaufenden Kreisprozesses sowie deren Anwendungen.

Bekannte Verfahren zur Nutzung von Wärmeenergie unter Verwendung eines rechtslaufenden

Kreisprozesses arbeiten nach dem Carnot-Prinzip oder einem seiner Derivate, wobei der Druck eines fluiden Arbeitsmediums bei geringer Temperatur unter Verbrauch von Nutzarbeit gesteigert wird, und dann nach Wärmeübertragung bei hoher Temperatur unter Abgabe von Nutzarbeit verringert wird, wobei die abgegebene Nutzarbeit größer ist als die verbrauchte und ihre Differenz an einen externen Verbraucher gegeben werden kann. Zum Abschluss wird die Temperatur des Arbeitsmediums durch Kühlen auf die Ausgangstemperatur gesenkt, wobei die entzogene Wärmeenergie als Abwärme verloren geht.

Solche Verfahren sind heute die wichtigste Grundlage der Energietechnik zur Erzeugung von Nutzarbeit. Sie wurden als idealisierte Gaskreisprozesse (Otto, Diesel, Stirhng, Joule, Ericsson, Ackeret-Keller, Seiliger) oder Dampfkreisprozesse (Clausius-Rankine) beschrieben und als reale Prozesse unter Verwendung von Kolbertmaschinen oder Strömungsmaschinen realisiert. (Baehr: „Thermodynamik", Springer Verlag 1996, 9. Auflage, Seiten 344 ff. oder Cerbe/Hofmann: „Einführung in die Thermodynamik", Hanser Verlag 1996, 11. Auflage, Kapitel 4 und 5).

Der Nachteil der bekannten Verfahren ist, dass das Arbeitsmedium im letzten Schritt des Kreisprozesses stets durch Wärmeentzug gekühlt werden muss um die Ausgangstemperatur wieder zu erhalten. Wärme ist aber diejenige Energieform, die aufgrund einer Temperaturdifferenz nur von

„heiß" nach „kalt" fließt. Daraus folgt, dass man mit einer herkömmlichen Wärmekraftmaschine die

Wärmeenergie mit Umgebungstemperatur nicht in Nutzarbeit wandern kann, denn die Umgebung kann nicht gleichzeitig Wärmequelle und Wärmesenke einer Wärmekraftmaschine sein. Diese Erfahrung wurde im 2. Hauptsatz der Thermodynamik formuliert, wonach es unmöglich ist, mit einer

Wärmekraftmaschine nach dem Camotr-Prinzip Nutzarbeit aus der Umgebungswärme zu gewinnen.

Eine solche Wärmekraftmaschine wäre ein Perpetuum Mobile der 2. Art (Stöcker: „Taschenbuch der

Physik", Verlag Harri Deutsch 1998, Seite 643).

Aufgabe der Erfindung ist es eine neue Gattung von Verfahren und Vorrichtungen zu schaffen, bei denen das Arbeitsmedium im letzten Schritt des Kreisprozesses nicht durch Wärmeüber¬ tragung gekühlt werden muss, um so die Einschränkung der bekannten Wärmekraftmaschinen aus dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik zu überwinden. Die Erfindung betrifft auch Anwendungen dieser Verfahren und Vorrichtungen. Die Erfindung wird in 6 Abschnitten mit Bezug auf 3 Figuren beschrieben. Die verwendeten Formelzeichen sind am Ende aufgelistet.

Abschnitt 1: GRUNDLAGEN

Die für die Erfindung wesentlichen theoretischen Grundlagen können in jedem Standardwerk zur Thermodynamik nachgelesen werden. Hier wurden die Werke von Baehr und Cerbe/Hofmann verwendet (Baehr: „Thermodynamik", Springer Verlag 1996, 9. Auflage, und Cerbe/Hofmann: „Einführung in die Thermodynamik", Hanser Verlag 1996, 11. Auflage).

Ein Kreisprozess ist eine zyklische Abfolge von n verschiedenen thermischen Zuständen Z₁

(i=l..n) eines Systems mit einem fluiden Arbeitsmedium. Er enthält n einzelne offene Teilprozesse P* (i=l..n), wobei jeder Teilprozess Pj das Arbeitsmedium von einem Zustand Z₁ in den Folgezustand Z,_+/ bringt (P; - Z₁ -* Z_j+j), und der letzte Teilprozess P_n das Arbeitsmedium in seinen thermischen

Ausgangszustand Zj zurückfuhrt.

Im folgenden werden die einzelnen Zustände Z₁ (i=l..n) als die „Eckpunkte" eines

Kreisprozesses bezeichnet, und die einzelnen Teilprozesse P_{ (i=l..n) als seine „Kanten". Im Zustandsraum des Arbeitsmediums bilden alle Kanten gemeinsam einen geschlossenen Linienzug mit n Eckpunkten. Dieser Linienzug wird als „Rand" des Kreisprozesses bezeichnet, und die vom Rand eingeschlossene Fläche als die „Fläche" des Kreisprozesses.

Die thermischen Zustände des Arbeitsmediums in einem Kreisprozess werden durch Zustands- größen beschrieben. Für homogene thermodynamische Systeme mit einer fluiden. Phase gilt aus Erfah- rung, dass zwei unabhängige intensive Zustandsgrößen und eine extensive Zustandsgröße ausreichen um den Systemzustand eindeutig zu beschreiben. Die Zustandsgieichungen solcher Systeme sind daher allgemein von der Form z = f(x, y) mit zwei unabhängigen und einer abhängigen Variablen, wobei hier für die Zustandsvariablen x, y und z erfahrungsgemäss die physikalischen Größen Druck p, Temperatur T und Volumen V verwendet werden. Andere Zustandsgieichungen lassen sich unter Verwendung von Entropie S, Enthalpie H und innerer Energie U ableiten.

Ein Teilprozess P₁ verändert den Zustand Z_t des Arbeitsmediums und ist daher ein „Elementar¬ baustein" des Kreisprozesses, m jedem der Teilprozesse P₁ kann Arbeit w< und/oder Wärme qι an das System übertragen oder ihm entzogen werden. Typische Zustandsänderungen bei Gasprozessen sind Isochore, Isentrope, Isobare, Isotherme oder ganz allgemein die Polytrope. Bei Dampfprozessen gibt es dazu noch Verdampfung und Kondensation. Alle Prozesse unterliegen dem ersten und zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Danach ist die Summe aller an einem Prozess beteiligten Energien konstant, und die Änderung der Entropie kann nicht negativ werden (dS > 0). So bleibt die Entropie nur bei reversiblen Prozessen unverändert und nimmt bei allen irreversiblen Prozessen zu. Nach Max Planck sind alle natürlichen Prozesse irreversibel.

Weil nur zwei Zustandsgrößen ausreichen, um ein homogenes System zu beschreiben, können dessen Zustandsänderungen als stetige Kurvenzüge in einer Ebene dargestellt werden. Häufig verwendet werden die Darstellungen von Druck über Volumen (p, F-Diagramm), Temperatur über

Entropie (T.S'-Diagramm), oder Enthalpie über Entropie (A,,s-Diagramm). Daneben gibt es je nach

Anwendung andere vorteilhafte Darstellungen.

Bei einem rechtslaufenden Kreisprozess ist die Summe der Nutzarbeiten aller einzelnen Teilprozesse aus Sicht des Systems negativ ( ∑ w_t < 0 ), und dieser Betrag kann als Antrieb an einen externen Verbraucher gegeben werden. Beispiele hierzu sind der Otto- oder der Dieselprozess mit vier Teilprozessen und vier Zuständen.

Bei einem linkslaufenden Kreisprozess ist die Summe der Nutzarbeiten aller Teilprozesse aus Sicht des Systems positiv ( £ w_t > 0 ), und dieser Betrag muss durch einen Antrieb geliefert werden. Ein Beispiel hierzu ist die Wärmepumpe, ebenfalls mit vier Teilprozessen und vier Zuständen.

Die resultierende Nutzarbeit aller bekannten Kreisprozesse kann man im Druck-Volumen-

Diagramm als die durch den Rand des Kreisprozesses begrenzte Fläche erkennen. Dabei kann jeder Teilprozess bei unveränderter kinetischer und potenzieller Energie nur dann Arbeit abgeben, wenn der Druck des Arbeitsmediums abnimmt. Eine isobare Zustandsänderung leistet keinen Beitrag zur externen Nutzarbeit.

Ein herkömmlicher Kreisprozess liefert keine externe Arbeit wenn die Summe aller

Nutzarbeiten ausgeglichenen ist ( ∑ w_t = Q ). In diesem Fall degeneriert die von den Kanten des Prozesses berandete Fläche im Drack-Volumen-Diagramm zu einer Linie oder einem Punkt.

Abschnitt 2: STATISCHE UND DYNAMISCHE KREISPROZESSE

Wie 4ie Erfahrung zeigt ist die Theorie der Thermodynamik mit der Entwicklung der Dampf¬ maschine entstanden, dem Vorläufer aller heutigen Wärmekraftmaschinen. Das zur Abgabe von Arbeit wesentliche konstruktive Element der Dampfmaschine ist der in einem Zylinder bewegliche Kolben, welcher den abnehmenden Druck des Dampfes in Arbeit wandelt, m den Lehrbüchern der Thermodynamik werden die Konzepte zur Energiewandlung daher auch mit Hilfe eines in einem Zylinder beweglichen Kolbens vermittelt. AUen oszillierenden Kolbemnaschinen ist aber gemeinsam, dass der Kolben am oberen und unteren Wendepunkt seiner Bewegung für einen Moment still steht, seine Geschwindigkeit also den Wert „0" erreicht. Weil das Volumen des Arbeitsmediums in einer Kolbenmaschine durch den Kolben verändert wird, befindet sich das Arbeitsmedium im Zylinder am oberen und unteren Wendepunkt ebenfalls in Ruhe. Weiterbin ist die Zustandsänderung des Arbeitsmediums zwischen den beiden Wendepunkten der Kolbenbewegung immer dann ein quasistatischer Vorgang, wenn die Kolben¬ geschwindigkeit klein ist gegenüber der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Druckstörung im Arbeits¬ medium (bei Gasen ist das die Schallgeschwindigkeit).

Diese konstruktiv bedingten Merkmale der Kolbenmaschine finden sich in der Theorie der Kreisprozesse wieder, denn in den Eckpunkten aller bekannten idealen Kreisprozessef ist das Arbeitsmedium in Ruhe. Die konstruktiv bedingte geringe Kolbengeschwindigkeit der Dampf¬ maschine rindet sich in der Theorie der Teilprozesse aller bekannten Kreisprozesse wieder, denn ihre Teilprozesse sind quasistatische Zustandsänderungen, bei denen das Arbeitsmedium sich nicht nur in den Eckpunkten sondern auch während der gesamten Zustandsänderung zwischen den Eckpunkten in Ruhe befindet.

Historisch bedingt basieren alle bekannten Kreisprozesse also auf der impliziten Annahme, dass das Arbeitsmedium sich stets in Ruhe befindet und die Geschwindigkeit des Arbeitsmediums KEINE unabhängige Zustandsvariable ist. Konstruktiv bedingt ist diese Annahme für alle oszillierenden Kolbenmaschinen auch richtig, deren Kolben am oberen und unteren Wendepunkt der Bewegung in Ruhe ist, und deren Geschwindigkeit klein ist gegenüber der Ausbreitungs¬ geschwindigkeit von Druckstörungen im fluiden Arbeitsmedium.

Zur Abgrenzung der Erfindung gegenüber allen bekannten Verfahren werden daher nun zwei Arten von Kreisprozessen definiert:

• Bei einem STATISCHEN KREISPROZESS ist die Geschwindigkeit des Arbeitsmediums KEINE unabhängige Zustandvariable zur Beschreibung eines Prozesszustandes. Diese

Definition gilt für alle bekannten Kreisprozesse.

• Bei einem DYNAMISCHEN KREISPROZESS ist die Geschwindigkeit des Arbeits¬ mediums eine unabhängige Zustandsvariable zur Beschreibung eines Prozesszustandes. Diese Definition gilt für alle nachfolgend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen.

Aus den beiden Definitionen ergeben sich folgende Erkenntnisse: - S -

1. Alle realisierten Wärmekraftmaschinen basieren heute noch auf statischen Kreisprozessen, sogar wenn sie ihre Nutzarbeit mit Hilfe einer Turbine gewinnen. In diesem Sinne werden Dampf- und Gasturbinen thermodynamisch betrachtet heute nur als „simulierte Kolbenmaschinen" eingesetzt.

2. Es ist unmöglich, einen dynamischen Kreisprozess mit Hilfe einer Kolbenmaschine zu realisieren, solange die Nutzarbeit des Prozesses mit Hilfe eines beweglichen Kolbens gewonnen wird. In einem dynamischen Kreisprozess kann die Nutzarbeit nur mit Hilfe einer Strömungsmaschine gewonnen werden.

3. Die Zustandsgieichungen zur Besehreibung dynamischer Kreisprozesse enthalten die Geschwindigkeit des Arbeitsmediums als unabhängige Zustandsvariable. Mit drei möglichen Freiheitsgraden für Rotation und Translation sind bis zu sechs weitere Zustandsvariablen möglich.

4. Die Eckpunkte von statischen Teilprozessen liegen im Zuständsraum des Arbeitsmediums auf einer Fläche mit gleicher Geschwindigkeit (Isotache). Die Eckpunkte von dynami- sehen Teilprozessen liegen auf verschiedenen Isotachen. Ein dynamischer Teilprozess ist immer auch eine Polytache.

5. Alle denkbaren statischen Kreisprozesse liegen auf einer Isotachen. Alle denkbaren dyna¬ mischen Kreisprozesse werden von zwei verschiedenen Isotachen begrenzt und enthalten mindestens einen dynamischen Teilprozess.

Aus dieser Überlegung wird deutlich, dass die bisher realisierten statischen Kreisprozesse eine

Untermenge aller möglichen Kreisprozesse darstellen, weil sie im Zuständsraum aller denkbaren Kreisprozesse jeweils auf einer Isotachen definiert sind. Alle erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen enthalten im Unterschied zu den bekannten Verfahren und Vorrichtungen einen dynamischen Kreisprozess. Jeder dynamische Kreisprozess enthält mindestens einen dynamischen Teilprozess zwischen zwei Isotachen.

Abschnitt 3: DYNAMISCHE TEILPROZESSE

Die Eckpunkte dynamischer Teilprozesse liegen auf zwei verschiedenen Isotachen, und das Arbeitsmedium hat zu Beginn und am Ende eine unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeit. Es ist einleuchtend, dass es unendlich viele mögliche dynamische Teilprozesse gibt, aber allen möglichen dynamischen Teilprozessen ist folgendes gemeinsam: 1. Jeder dynamische Prozesszustand Z⁺ mit der Totalenthalpie A⁺ und einer Geschwindigkeit c > 0 besitzt einen korrespondierenden Ruhezustand Z° mit der Enthalpie h° und der Geschwindigkeit c = 0 und es gilt h° - A⁺ (Energieerhaltung).

2. Es gibt einen adiabaten Prozess P⁺ mit dem sich der Bewegungszustand aus dem Ruhezustand erreichen lässt (P⁺ = Z° → Z⁺), d.h. eine Masse lässt sich ohne

Wärmeübertragung unter Einsatz von Arbeit beschleunigen.

3. Es gibt einen adiabaten Prozess P° mit dem sich der Ruhezustand aus dem Bewegungs¬ zustand erreichen lässt (P° = Z⁺ -→ Z⁰ ), d.h. eine Masse lässt sich ohne Wärmeüber¬ tragung unter Gewinnung von Arbeit verzögern.

4. Die Enthalpie h des dynamischen Prozesszustandes unterscheidet sich von der Enthalpie des korrespondierenden Ruhezustandes h° durch die kinetische Energie e des strömenden Arbeitsmediums und es gilt h° = h⁺ — h + e.

5. Jeder mögliche dynamische Teilprozess lässt sich durch einen zweiteiligen Ersatzprozess mit einem statischen und einem dynamischen Prozössanteil darstellen, wobei der statische Prozessanteil auf einer Isotachen verläuft und der dynamische Anteil isobar zwischen zwei

Isotachen abläuft.

Von allen möglichen dynamischen Teilprozessen werden für die folgende Diskussion nur zwei spezielle Prozesse untersucht: Der isobar-adiabate Arbeitsprozess und die adiabate Beschleunigung in einer konvergenten Wirbelströmung. Beide Prozesse sind elementar, weil mit dem Arbeitsprozess die Nutzarbeit aus einer Strömung gewonnen werden kann, die mit dem Beschleuπigungsprozess erzeugt wurde.

Zur Vereinfachung wird die potenzielle Energie zwischen zwei Prozesszuständen in der folgenden Darstellung als konstant angesehen (Az -0).

Abschnitt 3.1: ISOBAR-ADIABATER ARBEITSPROZESS

Ein isobar-adiabater Arbeitsprozess verändert weder den Druck noch die Temperatur des Arbeitsmediums, sondern verringert nur die Strömungsgeschwindigkeit und liefert Arbeit. Ein solcher Prozess ist mit einem statischen Teilprozess nicht möglich, weil statische Teilprozesse nur bei Druckminderung Arbeit abgeben können. Der isobar-adiäbate Arbeitsprozess ist bekannt und wird zum Beispiel mittels einer

Windkraftanlage realisiert. Eine „ideale Windkraftanlage" verändert weder den Druck noch die

Temperatur der Luft. Sie verringert die Strömungsgeschwindigkeit des Windes auf 1/3 und kann nach der theoretischen Ableitung von Betz maximal 16/27 der im Wind enthaltenen Strömungsenergie gewinnen (Gasch: „Windkraftanlagen", B.G. Teubner Stuttgart 1996, 3. Auflage, Seite 120).

Zur thermodynamischen Analyse dieses Arbeitsprozesses wird die Temperaturdifferenz der korrespondierenden Ruhezustände des Windes vor und hinter einer Windkraftanlage ermittelt, das sind die Zustände Z°j und Z°₂. Dazu denkt man sich eine Folge von drei dynamischen Teilprozessen, in denen zuerst ruhende Luft beschleunigt wird und Wind entsteht, dem Wind dann durch eine Windkraftanlage kinetische Energie entzogen wird, und die Luft abschließend wieder in den Ruhezustand versetzt wird. Der Prozessablauf ist Z°j — > Z⁺ _/ -→ Z⁺ ₂ → Z°₂. Der eigentliche Arbeitsprozess Z^₁ → Z⁺ ₂ ist isobar und adiabat, d.h. Druck und Temperatur ändern sich nicht - so wie Druck und Temperatur der Luft in ausreichendem Abstand vor und hinter einer real existierenden Windkraftanlage gleich bleiben.

Weil dem Wind kinetische Energie entzogen wird, ändert sich die Totalenthalpie h⁺ der Luft und sinkt um den Betrag der entzogenen Windenergie. Folglich unterscheiden sich die Enthalpien der korrespondierenden Ruhezustände der Luft h °_/ und h°₂ um genau den Betrag der kinetischen Energie, welche dem Wind entnommen wurde. Die Enthalpie der ruhenden Luft ist aber nur eine Funktion der Temperatur, denn Luft verhält sich bei Atmosphärendruck mit hinreichender Genauigkeit wie ein ideales Gas. Folglich unterscheiden sich die Enthalpien h°j und h°₂ der korrespondierenden Ruhezustände der Luft vor und hinter der Windkraftanlage nur in der Temperatur. Der Ruhezustand der Luft hinter der Windkraftanlage ist also kälter um den Betrag:

AT = T⁰ _S- T⁰ _!= (h°₂- h°j) /c_p unddeshalb ist AT <0 (3.1.1)

Das Abbremsen des Windes im dynamischen isobar-adiabaten Arbeitsprozess hat also die gleiche Wirkung wie ein Kühler in einem statischen Kreisprozess: Er vermindert die innere Energie des Arbeitsmediums und senkt damit die Temperatur des korrespondierenden Ruhezustands. Die

Entropieänderung dieser Prozessfolge lässt sich aus den Temperaturen der korrespondierenden

Ruhezustände bestimmen:

As = S^O ₂ - S⁰!= C_pIn (T₂ZT⁰]) /und deshalb istΔs <0 (3.1.2)

Weil der erste und der dritte Teilprozess theoretisch immer auch als adiabater Prozess durch

Austausch von Arbeit ohne Wärmeübertragung erfolgen kann, stammt die Entropieänderung also nur aus dem zweiten Teilprozess, dem adiabat-isobaren Arbeitsprozess, und es gilt die Erkenntnis: • Ein adiabat-isobarer Arbeitsprozess senkt die Entropie des Arbeitsmediums ohne Wärmeübertragung, oder

• eine Windkraftanlage, welche nur die Geschwindigkeit des Windes reduziert, mindert die Entropie der Luft.

Dieses Ergebnis ist im Rahmen der kinetischen Gastheorie leicht zu verstehen, denn „Wind" ist ein Bewegungszustand der Luft in der alle Luftmoleküle sich mit einem Anteil ihrer Bewegungs¬ energie statistisch gemittelt gleichzeitig in die gleiche Richtung bewegen. Wenn die Geschwindigkeit des Windes isobar und adiabat gesenkt wird, dann verringert man damit gleichzeitig die mittlere kinetische Energie ALLER beteiligter Moleküle der Luft und damit deren innere Energie im korrespondierenden Ruhezustand. Bei einem idealen Gas ist die innere Energie aber nur eine Funktion der Temperatur, die zwangsläufig sinken muss, wenn man die mittlere kinetische Energie der Teilchen im Gas reduziert - und genau DAS macht eine Windkraftanlage. Die Temperaturänderung ist aber nur im korrespondierenden Ruhezustand der Luft messbar und nicht innerhalb der Strömung des Windes, denn die Strömung bleibt isotherm.

Das Ergebnis kann auch auf inkompressible Arbeitsmedien übertragen werden, denn die

Entropie ist allgemein definiert als:

dS ^ (dU + p dV) /T (3.1.3)

oder nach Einführung des Enthalpiedifferentials dH:

dS = (dH- V dp) /T (3.1.4)

Bei einem adiabat-isobaren Arbeitsprozess gibt es keine Änderung von Druck oder

Temperatur, folglich gilt dp = 0 und dS = dH/T. Weil die Enthalpie des korrespondierenden Ruhezustandes einer beliebigen Strömung durch den adiabat-isobaren Arbeitsprozess abnimmt, sinkt die Entropie des Arbeitsmediums im Ruhezustand, und das Ergebnis gilt sowohl für Gase als auch für Flüssigkeiten.

Aus dieser Diskussion folgen drei wichtige Erkenntnisse:

• Weil jeder mögliche dynamische Teilprozess in einen isotachen statischen Anteil und einen polytachen dynamischen Anteil zerlegt werden kann, und statische Teilprozesse nach dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik immer die Entropie erhöhen, ist der adiabat- isobare Arbeitsprozess der besondere Prozess mit der maximal möglichen Entropie- minderung aller möglichen dynamischen Arbeitsprozesse. • Ein adiabat-isobarer Arbeitsprozess kann nur mit einer Gleichdruckturbine realisiert werden, denn es gibt keine Kolbenmaschine, die ohne Druckänderung Nutzarbeit liefern kann.

• Die Gleichdruckturbine ist die bestmögliche Vorrichtung zur Umsetzung eines dynami- sehen Arbeitsprozesses, denn der dynamische Arbeitsprozess einer Überdruckturbine enthält einen statischen Prozessanteil, der nach dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik die Entropie erhöht.

Aus dieser Diskussion wird deutlich, dass die bestmögliche Vorrichtung bzw. Maschine zur Umsetzung eines dynamischen Kreisprozesses ihre Nutzarbeit mit Hilfe einer Gleichdruckturbine gewinnen muss.

Abschnitt 3.2: ADIABATE BESCHLEUNIGUNG IM WIRBEL

Der zweite dynamische Teilprozess, der hier untersucht werden soll, ist die adiabate Beschleunigung eines Fluides mit Hilfe einer konvergenten Wirbelströmung.

Wirbelströmungen sind in der Natur bekannt als zweidimensionale oder auch dreidimen¬ sionale Strömungsvorgänge, in denen Luft oder Wasser spiralförmig um ein Wirbelzentrum fließt und die Strömungsgeschwindigkeit gegen das Wirbelzentrum anwächst. Ein dynamischer Teilprozess, der die Zustandsänderung des Arbeitsmediums vom Rand des Wirbels zum Zentrum beschreibt, benötigt im zweidimensionalen Wirbel eine zweite, und im dreidimensionalen Wirbel eine dritte Geschwindig- keitsvariable.

Zur Vereinfachung der folgenden Diskussion soll hier nur die ebene Wirbelströmung eines iαkompressiblen Arbeitsmediums dargestellt werden, wie sie beispielsweise in paraUelwandigen Rotationshohlräumen von hydraulischen Maschinen zu finden ist. In diesem Fall werden als Zustandsvariablen Druck p, Temperatur T, Umfangsgeschwindigkeit c„ und Meridiangeschwindigkeit c„, gewählt. Das sind vier Zustandsvariablen, von denen drei unabhängig sind. Bei inkompressiblen Medien bleibt das spezifische Volumen konstant.

Die Wirbelströmung beginnt an einem äußeren Rand des Wirbels mit dem größeren Abstand n vom WirbeLzentrum und endet am inneren Rand mit dem geringeren Abstand Y₂ vom

Wirbelzentrum. Das Verhältnis der Abstände von äußerem und innerem Rand der Strömung sei k = r_t / r₂, und bei einer konvergenten Wirbelströmung gilt k > 1. In einer ebenen reibungsfreien

Wirbelströmung ist das Verhältnis zwischen Meridiangeschwindigkeit c_m und Umfangsgeschwindig- keit c_u konstant und es gilt c„/c_u = tan (X — const, so dass die Strömung einer logarithmischen Spirale mit dem Neigungswinkel <x folgt. Die Bahngeschwindigkeit c ergibt sich aus der Vektoraddition von Meridian- und Umfangsgeschwindigkeit.

In allen adiäbaten Strömungsvorgängen bleibt die Totalenthalpie unverändert. In einer konvergenten Wirbelströmungen bleibt der Drehimpuls erhalten. In rotierenden Strömungen wirkt eine Zentrifugalkraft, die durch einen inneren Druckgradienten zum Zentrum hin ausgeglichen werden muss. Der Druckgradient ist in der radialen Druckgleichung durch die Zentritugalbeschleunigung a_z gegeben mit φ/dr = p ct_z (Siekmann: „Strömungslehre", Springer Verlag 2000, Seite 48).

Aus diesen Nebenbedingungen lässt sich die Zustandsänderung der adiäbaten Beschleunigung im konvergenten Wirbel ermitteln.

Die Geschwindigkeitsändeπαig und damit die Änderung der kinetischen Energie Δe ergibt sich aus dem Drehimpulserhaltungssatz mit der Eintrittsgeschwindigkeit c für das Radienverhältnis k mit:

Ae = c² (&-l)/2 > 0 (3.2.1)

Die Druckänderung Δp ergibt sich durch Integration der radialen Drύckgleichung in den

Grenzen V₁ und r₂ mit der Zentrifugalbeschleunigung a_z = c„²/r für die Emtrittsgeschwindigkeit c und den Spiralwinkel cxvait

Δp/p = -c² COs²CX Q?-l)/2 < 0 (3.2.2)

Die Druckänderung ist negativ und der Druck zum Wirbelzentrum nimmt naturgemäß ab. Die Totalenthalpie bleibt erhalten, und es gilt:

Ah⁺ = Au + Δp/p + Δe = 0 (3.2.3)

Daraus ergibt sich die Änderung der inneren Energie Au des strömenden Arbeitsmediums mit:

Au = -Ae - Δp/p = -c² sin²a (l?-l)/2 < 0 (3.2.4)

Die innere Energie sinkt also in der konvergenten Wirbelströmung zugunsten der Strömungsenergie. Da die innere Energie nur eine Funktion der Temperatur ist, kann man die Temperaturabsenkung in der konvergenten Wirbelströmung für ein inkompressibles fluides Arbeits¬ medium mit der spezifischen Wärmekapazität c_v berechnen mit: ΔT = -e² sin²a Q?-l) / (2c_v) < 0 (3.2.5)

Für strömendes Wasser mit einer Wkbelemgangsgeschwindigkeit c = 6 m/s und einem Radienverhältnis k = 3 ergibt sich aus dieser Gleichung bei einem Spiralwinkel von CX — 30° eine Temperaturänderung Δ T = -0.0086 ⁰C oder ΔT = -8.6 mK. Temperaturänderungen dieser Größen- Ordnung wurden bisher vernachlässigt.

Weil die Strömungsgeschwindigkeit c im Zufluss der Wirbelströmung von der Druckdifferenz Δp zwischen Zufluss und Abfluss abhängt, gilt weiterhin:

ΔT = Δp tan²a/ (pc_v) < 0 (3.2.6)

Die konvergente Wirbelströmung wirkt also zum einen beschleunigend, weil sie die Geschwindigkeit einer Strömung erhöht, und zum anderen abkühlend, weil sie die Temperatur des Mediums senkt. Dieser dynamische Teilprozess hat also wiederum zu einem Teil die gleiche Wirkung wie ein Kühler in einem statischen Kreisprozess.

Die Ableitung erfolgte hier für ein inkompressibles Arbeitsmedium, wie z.B. Wasser, sie kann aber analog dazu für kompressible Medien dargestellt werden, wie z.B. Luft. Es muss nur die Dichteänderung berücksichtigt werden.

Mit einer konvergenten Wirbelströmung kann man folglich die innere Energie eines fluiden Arbeitsmediums zugunsten der Strömungsenergie wandeln, wobei die Temperatur des Mediums sinkt. Ein Absinken der Temperatur bedeutet gleichzeitig eine Minderung der Entropie - aber ohne Wärmeübertragung.

Aus dieser Diskussion wird deutlich, dass die bestmögliche Vorrichtung zur Umsetzung eines dynamischen Kreisprozesses die Strömungsgeschwindigkeit mit Hilfe einer konvergenten Wirbelströmung erzeugen muss.

Abschnitt 3.3: SCHLUSSFOLGERUNGEN

Die vorangegangene Diskussion zeigt, dass es mindestens zwei dynamische Teilprozesse gibt, welche die Entropie eines Mediums ohne Wärmeübertragung senken. Sie zeigt ebenfalls, dass ein dynamischer Teilprozess nur dann realisierbar ist, wenn die Geschwindigkeit des Arbeitsmediums eine Zustandsvariable ist. In diesem Fall existiert sowohl für ein kompressibles als auch für ein inkompressibles Arbeitsmedium mindestens ein entropiemindernder Teilprozess. Daraus ergeben sich weitreichende Folgen flir die Theorie der Thermodynamik, fiϊr die Existenz möglicher Energiewand¬ lungsprozesse und für die Theorie möglicher Maschinen zur Energiewandlung:

1. Die bekannte Theorie der Thermodynamik ist UNVOLLSTÄNDIG im Hinblick auf die Existenz dynamischer Kreisprozesse. Die bekannte Theorie beschreibt nur statische Kreisprozesse und auch nur solche wurden bisher technisch realisiert.

2. Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik in seiner bekannten Form gilt nur für statische Kreisprozesse, bei denen die Geschwindigkeit des Arbeitsmediums KEINE Zustands- variable ist. Für dynamische Kreisprozesse muss der 2. Hauptsatz der Thermodynamik neu formuliert werden.

3. Die Aussage des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik bezüglich der Wärmeübertragung gilt unverändert für alle statischen und dynamischen Teilprozesse. Danach ist Wärme eine Energieform, und sie fließt „von selbst" nur in Richtung geringerer Temperatur, also nur von „heiß" nach „kalt".

4. Die Aussage des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik bezüglich der positiven Entropie- änderung (dS ≥ 0) gilt nur für statische Teilprozesse, bei denen die Strömungs¬ geschwindigkeit des Arbeitsmedium KEINE Zuständsvariable ist. Die einschränkende Entropiebedingung (dS > 0) gilt nicht für alle dynamischen Teilprozesse.

5. Es gibt mindestens zwei dynamische Teilprozesse, bei denen die Geschwindigkeit des Arbeitsmediums eine Zuständsvariable ist, welche die innere Energie des Arbeitsmediums ohne Wärmeübertragung senken und darum seine Entropie mindern können (dS < O).

Folglich ist es möglich einen rechtslaufenden dynamischen Kreisprozess zu definieren, der ohne Kühler funktioniert, und der, ohne Abwärme abzuführen, trotzdem Nutzarbeit an einen externen Verbraucher liefern kann.

6. Weil die innere Energie eines strömenden Arbeitsmediums mit Hilfe eines dynamischen Prozesses technisch genutzt werden kann, ist diejenige Wärmeenergie zugänglich, die zeitlich VOR Beginn des Prozessablaufes an das Arbeitsmedium übertragen wurde.

7. Mit einem dynamischen Kreisprozess ist es möglich, die innere Energie des Wassers und der Luft bei Umgebungstemperatur technisch zu nutzen. Die innere Energie von Wasser und Luft stammt aus Wärmeübertragung der Sonne. Wasser und Luft enthalten „historische" Solarenergie. Damit ist klar, dass mit einem dynamischen Kreisprozess der Zeitpunkt des Betriebs einer Maschine vom Zeitpunkt der Wärmeübertragung entkoppelt werden kann, solange die Senkung der Entropie des Arbeitsmediums mit einem dynamischen Arbeits- oder Beschleunigungsprozess und NICHT mit einem Kühler erfolgt. In diesem Falle wird das Arbeitsmedium des dynamischen Kreisprozesses selbst zur Energiequelle, aus dessen innerer Energie die Nutzarbeit gewonnen wird, und es ist kein weiterer Energieträger erforderlich.

Wenn die innere Energie des Arbeitsmediums technisch genutzt wird, muss seine Temperatur im dynamischen Kreisprozess sinken. Folglich gibt es mindestens einen dynamischen Kreisprozess, der Nutzarbeit liefert und gleichzeitig zur Erzeugung von Kälte eingesetzt werden kann. Solche Prozesse können linkslaufende statische Kreisprozesse in Wärmepumpen und Kältemaschinen ersetzen.

Abschnitt 4: RECHTSLAUFENDE DYNAMISCHE KREISPROZESSE

Rechtslaufende ideale dynamische Kreisprozesse liefern Nutzarbeit und sind Modellprozesse zur Darstellung und Ableitung möglicher Maschinen. So ist der bekannte Carnot-Prozess ein Modell- pfozess, der als Referenz und Vergleichsprozess zur Bewertung realer statischer Prozesse herange¬ zogen wird. Weil ein Kreisprozess beliebig viele Teilprozesse enthalten kann, gibt es unendlich viele mögliche dynamische Kreisprozesse. Weil die vom Rand des Kreisprozesses umschlossene Zustands- fiäche eines rechtslaufenden Kreisprozesses ein Maß für die erzeugte Nutzarbeit ist, müssen solche Kreisprozesse mindestens drei verschiedene Zustände und Teilprozesse enthalten, von denen mindestens einer ein polytacher Prozess ist.

Als Beispiel für mögliche dynamische Kreisprozesse werden hier nur zwei ideale Prozesse mit jeweils fünf Teilprozessen dargestellt, der erste für ein kompressibles Arbeitsmedium, wie zum

Beispiel Luft, und der zweite für ein inkompressibles Arbeitsmedium, wie zum Beispiel Wasser. Die Prozesse werden in den Figuren 1 und 2 beschrieben. Die Darstellungen dort sind nur qualitativ richtig und sollen die Prinzipien dynamischer Kreisprozesse verdeutlichen.

Die Variablen zur Beschreibung der Prozesszustände sind hier Druck p, Temperatur T,

Volumen V, Umfangsgeschwindigkeit c_u und Meridiangeschwindigkeit c„„ das sind fünf Variablen, vier davon sind unabhängig für kompressible Medien, drei für inkompressible Medien. Folglich benötigt man zur vollständigen Darstellung des Prozesses vier bzw. drei verschiedene Diagramme.

Hier wurden ausgewählt:

1. Druck über Volumen (p, K-Diagramm), 2. Druck über Strömungsenergie, das ist die spezifische kinetische Energie der Strömung und ermittelt sich aus e = <?/2 (p,e-Diagramrn),

3. Temperatur über Entropie (T, S-Diagramm),

4. Drallenergie über Transportenergie, das ist die spezifische Energie der Strömung in Umfangs- und Meridianrichtung und kann aus den Komponenten c_u, und c_m ermittelt werden (e_a,e,„-Diagramm).

In beiden Kreisprozessen wird das Arbeitsmedium in einem konvergenten Wirbel beschleunigt, und die Nutzarbeit wird mit einer Gleichdruckturbine gewonnen. Im Abstrom der Turbine wird aus der restlichen Strömungsenergie wieder statischer Druck gewonnen, so dass sich die erforderliche Kompressions- bzw. Pumparbeit im Kreisprozess verringert.

Der höchste Druck im Kreisprozess ist pu, der niedrigste ist pi₀ und der Druck nach Rückgewinnung der Strömungsenergie im Abstrom der Turbine ist p„_Ad- Nur die Zustandsänderung zur Erhöhung des Druckes von p_mid auf /?_/„• verbraucht Nutzarbeit. Die Abnahme der Temperatur wird durch Wärmeübertragung ausgeglichen.

Abschnitt 4.1 : EIN KREISPROZESS FÜR KOMPRESSIBLE FLUIDE

Ein rechtslaufender Kreisprozess für kompressible Fluide ist in Figur 1 dargestellt. Er enthält fünf Zustände und Teilprozesse. Die Teilprozesse sind im einzelnen:

1. Z₁ → Z₂ ■ ' Adiabat-verzögerte Kompression von p„a_d auf /?_/„• unter Verbrauch von Arbeit. Die Strömung wird verzögert, der Druck gesteigert und die Strömung erhält einen Drall.

Die Temperatur steigt bei konstanter Entropie.

2. Z₂ → Z ₃ : Isobare Wärmeübertragung beim oberen Druck pu- Das spezifische Volumen nimmt zu, Entropie und Temperatur steigen. Der Strömungszustand bleibt unverändert. Ln /j.e-Diagramm und e„,e„,-Diagramm sind die Zustände 2 und 3 identisch.

3. Z3 → Z₄ : Adiabat-beschleunigende Expansion von/?_/,,- auf JÖ/_Ö innerhalb einer konvergenten

Wirbelströmung, Druck und Temperatur sinken bei abnehmender Entropie. Die Strömungsgeschwindigkeit wächst, Drallenergie und Transportenergie der Strömung nehmen zu. 4. Z₄ -→ Zs : Gewinnung von Nutzarbeit mit Hilfe einer Gleichdruckturbine. Im p, V~ Diagramm sind die Zustände 4 und 5 identisch. Der Strömungszustand wandelt sich von drallbehafteter in drallfreie Strömung, und die Strömungsenergie sinkt bei konstantem Druck, die Entropie sinkt bei konstanter Temperatur (Anmerkung: Wie in einem Kühler).

5. Z₅ → Z₁ : Adiabat-verzögerte Kompression von p_/o auf p„a_d in einem Difrusor ohne

Verbrauch von Arbeit. Der Difrusor wandelt einen Teil der im Abstrom der Turbine befindlichen Strömungsenergie zurück in statischen Druck. Die Temperatur steigt mit dem Druck, die drallfreie Strömung verliert an Geschwindigkeit.

Aus dem/?, F-Diagramm alleine ist ersichtlich, dass der Kreisprozess in der Lage ist Nutzarbeit an einen Verbraucher zu geben, weil er rechtslaufend und ein Teil seiner Fläche im p, F-Diagramm sichtbar ist. Der eigentliche isobare Arbeitsprozess ist imp F-Diagramm aber nicht zu sehen, weil die

Zustände 4 und 5 imp, F-Diagramm identisch sind. Ohne die Darstellung der dynamischen Größen im _jP.e-Diagramm und e_aie_m-Diagramm ist nicht zu erkennen, dass und warum der Prozess in der Lage ist

Nutzarbeit zu liefern, denn zwei Kanten dieses Kreisprozesses stehen im Zustandsraum senkrecht zueinander, und die Fläche des Kreisprozesses ist im Zustandsraum in sich verdreht.

Abschnitt 4.2: EIN KREISPROZESS FÜR INKOMPRESSIBLE FLUIDE

Ein rechtslaufender Kreisprozess für inkompressible Fluide ist in Figur 2 dargestellt. Er enthält fünf Zustände und Teilprozesse. Weil das Volumen konstant ist, degeneriert die Fläche dieses Prozesses im p, F-Diagramm zu einer senkrechten Linie. Ein statischer Kreisprozess kann in diesem

Fall keine Nutzarbeit liefern, mit einem dynamischen Prozess ist das aber möglich. Die Teilprozesse sind im einzelnen:

1. Zi → Z₂ '■ Adiabat-verzögerte Kompression von j?„_ny auf/?_/,,- unter Verbrauch von Arbeit. Die Strömung wird verzögert, der Druck gesteigert und die Strömung erhält einen Drall. Temperatur und Entropie bleiben konstant.

2. Z₂ — > Z3 : Isobare Wärmeübertragung beim oberen Druck /?_/«. Das Volumen bleibt (fast) gleich, Entropie und Temperatur steigen. Der Strömungszustand bleibt unverändert. Im /j.e-Diagramm und e„,e„,-Diagramm sind die Zustände 2 und 3 identisch.

3. Z3 → Z4 : Adiabat-beschleunigende Expansion von pm auf p_/0 innerhalb einer konvergenten Wirbelströmung. Druck und Temperatur sinken bei abnehmender Entropie, Die Temperaturänderung ist aber sehr, sehr klein. Die Strömungsgeschwindigkeit wächst, Drallenergie und Transportenergie der Strömung nehmen zu.

4. Z₄ — > Z₅ : Gewinnung von Nutzarbeit mit Hilfe einer Gleichdruckturbine. Im p,V- Diagramm sind die Zustände 4 und 5 identisch. Der Strömungszustand wandelt sich von drallbehafiteter in drallfreie Strömung, und die Strömungsenergie sinkt bei konstantem

Druck, die Entropie sinkt bei konstanter Temperatur (Anmerkung: Wie in einem Kühler).

5. Z₅ → Zj : Adiabat-verzögerte Kompression von pι_o auf p_m\a in einem Diffusor ohne Verbrauch von Arbeit. Der Diffusor wandelt einen Teil der im Abstrom der Turbine befindlichen Strömungsenergie zurück in statischen Druck. Die Temperatur bleibt gleich, die drallfreie Strömung verliert Geschwindigkeit.

Im Vergleich zum Kreisprozess für kompressible Fluide degeneriert dieser Kreisprozess im p, F-Diagramm zu einer Linie auf einer Isochoren V = const. Im r.iS-Diagramm degeneriert der Prozess zu einem Dreieck, aber άiβ Darstellungen der dynamischen Zustandsvariablen bleiben unverändert.

Mit statischen Kreisprozessen ist es also unmöglich, Nutzarbeit ohne die Gasphase alleine aus inkompressiblen Fluiden zu gewinnen, weil die Fläche des Kreisprozesses im p, F-Diagramm dann zu einer Linie degeneriert. Hier wird der wesentliche Vorteil dynamischer Kreisprozesse sichtbar, denn mit ihnen ist es möglich die innere Energie von flüssigem Wasser technisch direkt nutzbar zu machen.

Die in beiden Kreisprozessen dargestellte Wärmeübertragung kann entfallen, wenn das Fluid direkt mit der Umgebung ausgetauscht wird, und die Erneuerung der inneren Energie des Arbeits¬ mediums außerhalb des Kreisprozesses durch Wärmeübertragung in der Umgebung erfolgt.

Abschnitt 4.3: SYSTEMUMGEBUNG

Die Systemumgebung ist für die Planung von dynamischen Kreisprozessen und die Auslegung von Maschinen wichtig. Neben der Entscheidung über die Art des Arbeitsmediums ist die Lage des Umgebungsdruckes po im Vergleich zu den Druckwerten der Kreisprozesse wesentlich. Wie in Figur 3 dargestellt lassen sich fünf prinzipiell verschiedene Varianten unterscheiden:

1. Der tiefste Druck des Kreisprozesses liegt über dem Umgebungsdruck. Dieses ist ein

Hochdruckprozess, der nur in einem Druckbehälter ausgeführt werden kann. Ein

Austausch des Mediums mit der Umgebung ist nur mit einer zusätzlichen Pumpe möglich. Bei kompressiblen Medien kann die Energiedichte und damit die Leistung einer Maschine gesteigert werden. Bei inkompressiblen Medien kann die Kavitationsgefahr vermindert werden. Solche Maschinen können aber auch im Vakuum oder im Weltraum eingesetzt werden.

2. Der tiefste Druck des Kreisprozesses ist gleich dem Umgebungsdruck. Dieses ist ein Überdruckprozess, der ebenfalls einen Druckbehälter erfordert. Allerdings kann eine Maschine offen ausgeführt werden und stets Arbeitsmedium mit der Umgebung austauschen. Die Wärmeübertragung kann dann außerhalb der Maschine in der Umgebung erfolgen.

3. Der mittlere Druck des Kreisprozesses ist gleich dem Umgebungsdruck. Dieses ist ein neutraler Prozess und die Maschine kann stets Arbeitsmedium mit der Umgebung austauschen. Eine offene Maschine mit Luft als Arbeitsmedium kann dann prinzipiell unbegrenzt lange laufen. Bei einer offenen Maschine mit Wasser als Arbeitsmedium steigt die Kavitationsgefahr.

4. Der obere Druck des Kreisprozesses ist gleich dem Umgebungsdruck. Dieses ist ein Unterdruckprozess, der besonders zur Förderung von Flüssigkeiten und Gasen geeignet ist.

5. Der obere Druck des Kreisprozesses liegt unter dem Umgebungsdruck. Dieses ist ein Tiefdruckprozess, mit dem man ein Vakuum aufbauen und aufrechterhalten kann. Ein Austausch des Arbeitsmediums mit der Umgebung ist nur mit einer zusätzlichen Pumpe möglich.

Abschnitt 5: VORRICHTUNGEN

Die Möglichkeiten zur Realisierung von Vorrichtungen zur Umsetzung dynamischer Kreisprozesse sind so vielfältig wie die Möglichkeiten der Gestaltung dieser Kreisprozesse an sich. Trotzdem müssen „optimale" erfindungsgemäße Vorrichtungen zur Umsetzung der erfindungs- gemäßen Verfahren wenige gemeinsame Merkmale besitzen.

1. Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen müssen die Nutzarbeit mittels einer Gleichdruck¬ turbine in einem adiabat-isobaren Arbeitsprozess gewinnen. Bei einer Gleichdruckturbine ist die Umfangsgeschwindigkeit der Strömung an der Druckkante des Laufrades doppelt so groß wie die Umfangsgeschwindigkeit der Druckkante, und der Reaktionsgrad der Tur- bine ist null (Sigloch: „Strömungsmaschinen", Hanser Verlag 1993, 2. Auflage, Seite 95). 2. Die Beschleunigung des Arbeitsmediums vor der Turbine muss in einer Düse erfolgen, vorzugsweise mittels einer konvergenten Wirbelströmung.

3. Im Abstrom der Turbine muss eine Druckrückgewinnung mittels eines Diffusors erfolgen.

4. Zwischen dem Austritt aus dem Diffusor und dem Eintritt in die Düse muss das Arbeits- medium durch eine Pumpe gefördert werden, deren Antriebsarbeit direkt oder indirekt aus der Turbinenarbeit stammt.

5. Die Differenz aus Turbinenarbeit und Pumpenarbeit wird an einen externen Verbraucher gegeben.

6. Das Arbeitsmedium wird innerhalb oder außerhalb der Vorrichtung während ihres Betriebes oder nach Beendigung wieder erwärmt.

7. Das Arbeitsmedium zirkuliert in der Vorrichtung oder es wird regelmäßig mit der Umgebung ausgetauscht und so erneuert.

Abschnitt 6: ANWENDUNGEN

Die Anwendungen der erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen sind vielfältig:

(1) Antrieb für den Transport von Personen und/oder Gütern,

(2) Antrieb für den Transport von Gasen und/oder Flüssigkeiten,

(3) Antrieb für die Änderung des Drucks von Fluiden,

(4) Antrieb zur Erzeugung von elektrischem Strom,

(5) Antrieb zur Entsalzung von Meerwasser,

(6) Antrieb zur Erzeugung von Wasserstoff,

(7) Erzeugung von Kälte zur Kühlung von Gasen, Flüssigkeiten oder Festkörpern,

(8) Erzeugung von Kälte zur Verflüssigung von Gasen oder Dämpfen,

(9) Erzeugung von Wärme zur Erwärmung von Gasen, Flüssigkeiten oder Festkörpern. Foπnelzeichen:

a- Zentrimgalbeschleunigung c Betrag der absoluten Strömungsgeschwindigkeit c„ Umfangsgeschwindigkeit c_m Meridiangeschwindigkeit const Konstante

Cp spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck

Cy spezifische Wärmekapazität bei konstantem Volumen e spezifische kinetische Energie: e - E/m e_u spezifische Drallenergie einer ebenen Strömung: e_u = c_u ²/2 e_m spezifische Transportenergie einer ebenen Strömung: e_m = c_m ²/2 h spezifische Enthalpie h = u + pv

^⁺ spezifische Totalenthalpie h° spezifische Enthalpie des korrespondierenden Ruhezustandes (/7° = Zz⁺ ; c = 0) k Radienverhältnis einer ebenen Wirbelströmung: k = T₁Zr₂ m Masse p Druck

Po Umgebungsdruck q spezifische Wärme r Radius oder Abstand vom Drehzentrum s spezifische Entropie u spezifische innere Energie v spezifisches Volumen w spezifische Arbeit z geodätische Höhe

E kinetische Energie

H Enthalpie

P,- Teilprozess eines Kreisprozesses zwischen den Zuständen Z_t und Z₁₊;

P⁺ adiabater Prozess zur Erzeugung eines Bewegungszustandes aus der Ruhe P° adiabater Prozess zur Erzeugung des Ruhezustandes aus der Bewegung

S Entropie

T Temperatur

U Innere Energie

V Volumen Z₁ Zustand eines Kreisprozesses zu Beginn des i-ten Teilprozesses Z⁺ Bewegungszustand eines Arbeitsmediums mit c > 0

Z° Ruhezustand eines Arbeitsmediums mit c = 0 a Absoluter Strömungswinkel p spezifische Dichte

Indizes:

0 Umgebungszustand

1 erster Zustand oder Wirbelrand

2 zweiter Zustand oder Wirbelzentrum

1 Zählindex / = L.n m Meridianrichtung u Umfangsrichtung

° Ruhezustand mit Q ~ 0

+ Bewegungszustand mit c > 0 hi Prozesszustand mit höchstem Druck im Kreisprozess Io Prozesszustand mit niedrigstem Druck im Kreisprozess mid Prozesszustand nach Rückgewinnung von Druck im Abstrom einer Turbine

Funktionen. Operatoren und sonstige Zeichen:

In natürlicher Logarithmus sin Sinus cos Cosinus tan Tangens

— > Teilprozess zwischen zwei Zuständen P, = Z, — > Zj₊j

— Gleichheitszeichen

/ Division > größer als

< kleiner als

> größer oder gleich

2 Xi Summe aller Werte X₁, i - L.n x" x hoch Exponent n dx Differential der Größe x dx/dy Ableitung der Größe x nach der Größe y

Ax Differenz der Größe x zwischen zwei Zuständen 1 und 2 : Ax=Xs - Xi

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Ver&hren zu Nutzung von Wärmeenergie mit Hilfe eines rechtslaufenden Kreisprozesses in dem ein fluides Arbeitsmittel zyklisch wiederholt durch eine Anzahl n ausgezeichneter Prozesszustände geführt wird, welche die Eckpunkte des Kreisprozesses markieren, und der Kreisprozess Nutzarbeit abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass die n ausgezeichneten Prozesszustände des

Kreisprozesses durch mehr als zwei unabhängige Zustandsvariablen beschrieben werden, wobei die Geschwindigkeit des Arbeitsmediums eine Zustandsvariable ist, und mindestens zwei der n Prozesszustände verschiedene Geschwindigkeiten haben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,, dass der Kreisprozess mit einem kompressiblen Fluid, oder einem iαkompressiblen Fluid oder einem Gemisch durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreisprozess ohne Wärmetransport an die Umgebung arbeitet, also ohne Abwärme.

4. Vorrichtung zur Durchführung der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutzarbeit des Kreisprozesses in einem adiabat-isobaren Arbeitsprozess mit einer oder mehr Gleichdruckturbinen gewonnen wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, das der Druck des Arbeitsmediums im Kreisprozess durch eine oder mehr Pumpen gesteigert wird, deren Antriebsarbeit direkt oder indirekt aus der Turbinenarbeit stammt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie keinen Kühler zum Abtransport von Wärme an die Umgebung besitzt.

7. Vorrichtung nach einem oder mehr Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium vor jeder Turbine beschleunigt wird, vorzugsweise in einer konvergenten Wirbelströmurtg.

8. Vorrichtung nach einem oder mehr Ansprüchen 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragung an das Arbeitsmedium entweder erst innerhalb der Vorrichtung erfolgt oder schon außerhalb in der Umgebung der Vorrichtung erfolgt ist.

9. Vorrichtung nach einem oder mehr Ansprüchen 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium in der Vorrichtung zirkuliert oder mit der Umgebung ausgetauscht wird.

10. Vorrichtung nach einem oder mehr Ansprüchen 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie stationär oder mobil verwendet wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie zum Transport von Personen oder Gütern verwendet wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie zum Transport von Flüssigkeiten oder Gasen verwendet wird.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Änderung des Drucks von Flüssigkeiten oder Gasen verwendet wird.

14. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Erzeugung von elektrischem Strom verwendet wird.

15. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Entsalzung von Meerwasser verwendet wird.

16. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Erzeugung von Wasserstoff verwendet wird.

17. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Kühlung von festen, flüssigen oder gasförmigen Medien verwendet wird.

18. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Verflüssigung von Gasen oder Dämpfen verwendet wird.

19. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Erzeugung von Heizwärme verwendet wird.

20. Vorrichtung nach einem oder mehr Ansprüchen 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass sie jeweils eine einzige oder mehrere Anwendungen gleichzeitig oder nacheinander ausfuhrt.