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Verfahren und Vorrichtungen zur Umwandlung von Wärmeenergie.
Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Umwandlung von Wärme in Kälte und einer Wärme- menge hoher Temperatur in eine grössere Wärmemenge von niedrigerer Temperatur.
In einer Kältemaschine oder in einer Wärmepumpe, in der Gase als Betriebsstoff verwendet werden, benutzt man Arbeitsprozesse, die aus einer Verdichtung, einer Wärmeabgabe bei konstantem, verhältnismässig hohem Druck, einer Entspannung und einer Wärmeaufnahme bei konstantem, ver- hältnismässig niedrigem Druck bestehen. Es ist bekannt, dass derartige Arbeitsprozesse eine Energie- menge benötigen, die gleich dem Unterschied zwischen der zur Verdichtung des Gases verbrauchten
Energie und der bei der Entspannung des Gases wiedergewonnenen Energie ist. Dieser Unterschied ist bedingt durch die bei der Abkühlung entstehende Volumsverminderung des unter dem hohen Druck stehenden Gases bzw. durch die bei der Erwärmung unter dem niedrigen Druck entstehende Volums- vergrösserung des Gases sowie durch Gasverluste.
Die absorbierte Energie wird im allgemeinen in mecha- nischer Form durch einen Motor geliefert.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, diesen Motor entbehrlich zu machen und ihn durch einen
Energiezusatz in thermischer Form zu ersetzen, u. zw. in der Weise, dass die Energie unmittelbar ver- wendbar ist und die Verluste vermieden werden, die durch Energieumwandlungen und insbesondere durch die Notwendigkeit der Verwendung mechanischer Vorrichtungen bedingt sind. Dabei werden natürlicher- weise auch die praktischen Schwierigkeiten vermieden, die sich aus der Verwendung mechanischer Vor- richtungen ergeben. In manchen Fällen ermöglicht die Erfindung bei der Kälteerzeugung die Verwendung einer Wärmequelle an Stelle einer Energiequelle mit einem besseren Wirkungsgrad als bei Anwendung der bekannten Verfahren, so wie sie beispielsweise bei Absorptionskältemaschinen Anwendung finden.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Luft als einziges Betriebsmittel verwendet werden kann.
Die Erfindung hat ferner zum Ziel, durch Verwendung einer geringen Wärmemenge bei verhältnis- mässig hoher Temperatur eine grosse Wärme-oder Kältemenge bei verhältnismässig niedriger Temperatur zur Verfügung zu stellen, d. h. das Mittel zu schaffen, das der Wärme gegenüber eine ähnliche Rolle spielt wie der elektrische Transformator gegenüber der Elektrizität.
Die Erfindung strebt ferner, z. B. zur Erzeugung von Kälte, die Heranziehung von Wärmequellen mit verhältnismässig niedriger Temperatur an, beispielsweise von auf 100-200 C abgekühlten Ver- brennungsgasen, die bei den üblichen Verfahren praktisch unverwendbar sind.
In grossen Zügen lässt sich die Erfindung folgendermassen kennzeichnen : Es kommen auf verschiedene Gasmengen gleichzeitig zwei Reihen von Arbeitsgängen zur Einwirkung, von denen die eine (der "treibende" Teil) eine Verdichtung mit darauffolgender Erwärmung, eine Entspannung und eine
Abkühlung, die andere (der "aufnehmende" Teil) eine Verdichtung mit darauffolgender Abkühlung, eine
Entspannung und eine Wiedererwärmung umfasst. Die Stromkreise, in denen diese beiden Reihen von
Arbeitsgängen durchgeführt werden, werden miteinander so in Verbindung gebracht, dass ein Übertritt von Gas unter dem nach der Verdichtung erreichten Druck vom treibenden zum aufnehmenden Teil und ein Übertritt von Gas unter dem nach der Entspannung erreichten Druck vom aufnehmenden zum treibenden Teil hervorgerufen wird.
Oder mit andern Worten : Es wird neben der Volumsänderung
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des Gases, die in der ersten Reihe von Arbeitsvorgängen eine zwangläufige Folge der angestrebten thermischen Wirkung ist und eine Energieaufnahme im Gefolge hat, durch eine zweite Reihe von Arbeitvorgängen eine umgekehrte thermische Wirkung erzeugt, die eine Volumsänderung des Gases zur Folge hat, so dass eine Energieabgabe eintreten kann. Diese Volumsänderung des Gases wird zum Ausgleich der ersten Volumsänderung benutzt. Zu diesem Zweck wird zwischen den beiden Stromkreisen, in denen sich die umgekehrten thermischen Arbeitsvorgänge vollziehen, eine Verbindung hergestellt, die die Bildung eines gasförmigen Stromes, im folgenden Ausgleichsstrom"genannt, ermöglicht und so einen Arbeitsprozess schliesst, in dem eine konstante Gasmenge arbeitet.
Dieser Ausgleichsstrom kann einfach durch die-Herstellung einer Verbindung zwischen den unter gleichem und konstantem Druck stehenden Wärmeaustauschern der beiden Ströme geschaffen werden, wenn jeder der beiden Ströme im Kreisprozess zwischen gleichen Druckgrenzen umläuft. Der Ausgleichsstrom kann aber auch durch eine Maschine hindurchgeleitet werden, die einen Druckunterschied erzeugt oder ausnutzt, wenn es erforderlich ist, den Gasdruck zwischen zwei Strömen von verschiedenem Druck auszugleichen. Auf diese Weise wird die Verdichtungsarbeit und die Entspannungsarbeit in jedem der
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her entlehnte, rein mechanische Energie wird somit auf die Kompensation der Reibungskräfte beschränkt.
Diese Energie kann von einer überschüssigen Energie des treibenden Teiles des Kreisprozesses entweder in Form eines Überschusses von verdichtetem Gas oder in Form eines höheren Druckunterschiedes im treibenden Teil des Arbeitsprozesses gegenüber dem aufnehmenden Teil abgeleitet werden.
Die Entnahme von Gas aus einem Stromkreis und die Einführung dieses Gases in den andern Stromkreis erfolgt vor oder hinter den Wärmeaustauschern an Stellen, an denen die Temperaturen einander so nahe wie möglich liegen, um Störungen der thermischen Wirkung des Kreisprozesses zu vermeiden. Beispielsweise kann die gesamte zu verarbeitende Gasmenge verdichtet und dann in zwei Teile geteilt werden, von denen der grössere Teil in einen Austauscher abgeleitet wird und sich dort abkühlt, während der kleinere Teil in einen Austauscher strömt, in dem er erwärmt wird, so dass nach dem Durchgang durch diese Austauscher die entsprechenden Volumina in entgegengesetzten Richtungen verändert worden sind und die Entspannung der beiden Gasmengen getrennt voneinander stattfinden kann.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung, die im Hinblick auf den Wirkungsgrad der thermischen Umformung besonders vorteilhaft ist, erfolgen die Verdichtungen und Entspannungen im treibenden Teil des Kreisprozesses adiabatisch, im aufnehmenden Teil dagegen mehr nach Isothermen. Das verschafft die Möglichkeit, einerseits den treibenden Teil des Kreisprozesses zur Erzeugung von Druckgas unter geringstem Wärmeverbrauch geeignet zu machen und anderseits den aufnehmenden Teil des Kreisprozesses zur Ausnutzung des Druckgases mit so grossem thermischem Wirkungsgrad wie nur möglich zu befähigen, wie das im folgenden noch näher ausgeführt wird.
Anstatt im aufnehmenden Teil des Arbeitsprozesses die in der Praxis schwer zu verwirklichenden isothermen Verdichtungen und Entspannungen durchzuführen, kann man bei Erreichung annähernd der gleichen Vorteile die Verdichtungen und Entspannungen in mehrere Stufen teilen, wobei in jeder Stufe ein Wärmeaustausch stattfindet. Der Ausgleich der entsprechenden Volumsänderung erfolgt durch die Bildung eines Gasstromes zwischen den Austausehern, in denen sich die thermischen Arbeitsvorgänge in entgegengesetzten Richtungen abwickeln.
Eine wichtige Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung ergibt sich aus der Möglichkeit, als thermische Energiequelle Gase mit einer Temperatur von 100 bis 2000 C, also z. B. Verbrennungsgase, zu verwenden, die für gewöhnlich als wertlos abgeführt werden. Diese Möglichkeit ist dadurch gegeben, dass die ausgeführten thermischen Arbeitsvorgänge Temperaturunterschieden einer gleichen Grössenordnung, z. B. von einigen Dutzend Graden, entsprechen, was in der Praxis zur Erzeugung von Kälte ausreicht.
'Bei einer Ausführungsform des Verfahrens durchlaufen die heissen Gase (Verbrennungsgase), anstatt in Wärmeaustauschern ausgenutzt zu werden, unmittelbar den treibenden Teil des Kreisprozesses, was noch vorteilhafter ist. Es genügt hiezu, dass der höchste Druck des Kreisprozesses gleich dem Druck der Umgebung ist. Den niedrigsten Druck erhält man durch die Entspannung der heissen Gase. Diese daraufhin abgekühlten und dann auf Atmosphärendruck gebrachten Gase unterhalten durch Ansaugen in einem bei Unterdruck wirkenden aufnehmenden Stromkreis die Entspannung, die Wärmeaufnahme bei konstantem Druck (d. h. die Erzeugung von Kälte) und die erneute Verdichtung.
Der Stromkreis des treibenden Teiles des Arbeitsprozesses schliesst sich sodann durch die Leitung hindurch, aus der die heissen Gase abgezogen wurden, während der Stromkreis des aufnehmenden Teiles des Arbeitsprozesses sich durch die Atmosphäre schliesst. Unter diesen Umständen kann die Mischung der Gase zwischen dem treibenden Teil und dem aufnehmenden Teil des Kreisprozesses so erfolgen, dass ein Eindringen der Gase des treibenden Teiles in den aufnehmenden Teil und eine Mischung der Gase der beiden Ströme vermieden ist.
Die Durchführung des obenbeschriebenen Verfahrens kann mittels Verdichtern und Entspannungmaschinen jeder bekannten Bauart erfolgen. Die Durchführung des Verfahrens ist besonders vorteilhaft und entspricht besser dem Grundgedanken der Erfindung, nämlich der Vermeidung unnützer Energie-
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umwandlungen, wenn für die Durchführung der Verdichtung und der Entspannung Vorrichtungen benutzt werden, die gleichzeitig als Verdichter und Entspannungsmaschinen verwendbar sind, wie sie im Patente Nr. 141054 beschrieben sind. In diesen Vorrichtungen erfolgt ohne Verwendung von mechanischen Organen ein Druckaustausch zwischen gleichen Gasvolumina, die voneinander verschiedene Temperaturen aufweisen ; dabei handelt es sich um jene unterschiedlichen Temperaturen, die beim Durchgang durch den Wärmeaustauscher angenommen werden.
Auf diese Weise vermeidet man nicht nur die mechanische Energieübertragung von einem Strom auf den andern, sondern auch die mechanische Energieübertragung vom Verdichter auf die Entspannungsvorrichtung eines jeden Stromkreises.
Vorrichtungen dieser Art können zu zweien oder auch so miteinander verbunden werden, dass der Ausgleichsstrom zwischen den beiden Teilen des Stromkreises die durch das Gas in den Wärmeaustauschern hervorgerufenen Druckschwankungen sowie die etwaigen Verluste ausgleicht. Man erreicht dabei eine fast vollständige Ausschaltung der Umwandlung von Energie in Form von Gasdruck in mechanische Energie.
Auf der Zeichnung sind Diagramme, welche die Vorgänge bei der Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung veranschaulichen, und Vorrichtungen zur Durchführung verschiedener Arten des neuen Verfahrens schematisch beispielsweise dargestellt.
Fig. 1 ist ein Entropiediagramm, das nebeneinander den aufnehmenden Teil und den treibenden Teil eines Kreisprozesses nach der Erfindung darstellt ; die Fig. 2 und 3 zeigen schematisch Stromkreisanordnungen, die für die Durchführung der im Diagramm nach Fig. 1 dargestellten Verhältnisse dienen.
Fig. 4 ist ein weiteres Diagramm ; Fig. 5 stellt ein Schema des dem Diagramm nach Fig. 4 entsprechenden Stromkreises dar. Die Fig. 6 und 7 zeigen weitere Entropiediagramme ; Fig. 8 veranschaulicht einen dem Diagramm nach Fig. 7 entsprechenden Stromverlauf. Fig. 9 ist ein Entropiediagramm ; Fig. 10 zeigt einen Stromverlauf, der insbesondere für die Ausnutzung industrieller Gase in Betracht kommt. Fig. 11 zeigt eine als Verdichter und Entspannungsvorrichtung verwendbare drehbare Vorrichtung, die für die Zwecke der Erfindung besonders geeignet ist ; Fig. 12 ist ein schematischer Schnitt der Fig. 11 ; Fig. 13 zeigt einen der Fig. 12 ähnlichen Schnitt einer Abänderungsform.
Das Entropiediagramm nach Fig. 1 bezieht sich auf eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Verdichtungen und Entspannungen beider Arbeitsreihen adiabatisch verlaufen. A, B, C, D stellt den aufnehmenden Teil des Kreisprozesses dar. Dieser umfasst die in den Kältemaschinen und den Wärmepumpen vor sich gehenden Arbeitsvorgänge, d. h. die folgenden Abschnitte : A, B adiabatische Verdichtung des Gases ; B, C Abkühlung bei konstantem Druck ; C, D adiabatische Entspannung ; D, A Erwärmung bei konstantem Druck auf Kosten der Umgebung, d. h. Kälteerzeugung.
Zur gleichen Zeit wie diese Arbeitsvorgänge wird eine andere Reihe umgekehrter Arbeitsvorgänge (treibender Teil des Kreisprozesses) in der folgenden Rangfolge durchgeführt : A', B'adiabatische Verdichtung ; B', C'Erwärmung bei konstantem Druck durch eine Wärmequelle ; C', D'adiabatische Entspannung ; D', A'Abkühlung bei konstantem Druck.
Bei der Abwicklung der Abschnitte A, B, C, D ist das Gas bei der Erwärmung D, A einer Volumsvergrösserung unterworfen, die durch eine mechanische Energiemenge ausgeglichen werden müsste, wenn der das Gas einschliessende Stromkreis in sich selbst geschlossen wäre. Das die Abschnitte A', B', C', D' durchlaufende Gas ist während der Abkühlung D', A'in der gleichen Weise einer Volumsverminderung unterworfen. Nach der Erfindung wird die Volumsvergrösserung im Laufe der ersten Reihe von Arbeitsvorgängen durch die Volumsverminderung im Laufe der zweiten Arbeitsreihe ausgeglichen. Dies wird dadurch erreicht, dass zwischen den beiden Stromkreisen an den Stellen A und A'eine Verbindung hergestellt wird.
Ebenso wird durch eine Verbindung zwischen den Punkten B und B'durch die Volums- vergrösserung auf dem Abschnitt B'C'die Volumsverminderung ausgeglichen, der das Gas des aufnehmenden Stromkreises bei der Abkühlung auf dem Abschnitt B, C ausgesetzt ist.
Eine solche Vorrichtung ist in Fig. 2 dargestellt, wo mit 1, l'Verdichter, mit 2, 2'Entspannungmaschinen, mit 3, y und 4, 4'Wärmeaustauscher bezeichnet sind. Vor und hinter den Verdichtern 1, T sind Verbindungen 5, 6 zwischen den beiden Stromkreisen hergestellt, um die Gasströmung zu ermöglichen, durch die die entsprechenden Volumsänderungen während des Druekabschnittes ausgeglichen werden sollen. Der an der Verbindungsstelle 5 vom aufnehmenden zum treibenden Stromkreis übergehende Gasüberschuss wird an der Verbindungsstelle 6 wieder durch letzteren wiedergewonnen. Auf diese Weise kreist durch die Verbindungsstellen 5 und 6 ununterbrochen ein Austauschstrom (Volumsaustauschstrom) in gleichbleibender Richtung.
Dadurch kann die erhebliche Arbeit unterbleiben, die sonst aufgewendet werden müsste, um die durch die aufeinanderfolgenden Erwärmungen und Abkühlungen im aufnehmenden Stromkreis bedingten Volumsänderungen auszugleichen.
Obgleich in Fig. 2 zwei Verdichter, zwei Entspannungsmaschinen und vier Austauscher dargestellt sind, so können doch auch die Verdichter, die Entspannungsvorrichtungen, die Austauscher oder, wie im folgenden noch gezeigt wird, einzelne von ihnen miteinander verbunden werden. So zeigt die Fig. 3 schematisch eine Ausführungsform, bei der nur ein einziger Verdichter 7 verwendet wird.
Es ist gleichfalls möglich, u. zw. mit besonderem Erfolg, in dem treibenden und dem aufnehmenden Teil des Stromkreises verschiedene Druckunterschiede aufrechtzuerhalten. Die Fig. 4 zeigt ein der Fig. 1
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ähnliches Entropiediagramm, jedoch ist der Unterschied in den Druckgrenzen beim treibenden Teil X, B', 0', D'grösser als beim aufnehmenden Teil A, B, 0, D.
In diesem Fall ist, wie aus Fig. 5 hervorgeht, die Verbindung zwischen den Austauschern mit hohem Druck der beiden Stromkreise durch eine Entspannungsvorrichtung 8 hergestellt, in der durch die Entspannung des vom treibenden zum aufnehmenden Strom übergehenden Gasstromes die wieder verwendbare Energie gewonnen wird. Diese Energie kann beispielsweise zum Ausgleich der durch die Reibungen der beweglichen Organe bedingten Energieverluste verwendet werden.
Die Fig. 6 stellt in Form eines Entropiediagramms eine günstige Ausführungsform der Erfindung dar, bei welcher der treibende Teil A', B', 0', D'des Arbeitsprozesses die gleichen Arbeitsvorgänge wie die vorher genannten Ausführungsformen umfasst, wobei die Verdichtung und die Entspannung adiabatisch verlaufen, während beim aufnehmenden Teil. A, B, 0, D die Verdichtung. A, B und die Entspannung C, D in der Nähe einer Isotherme verlaufen.
Der Vorteil einer solchen Anordnung ergibt sich aus den folgenden Betrachtungen : Es ist bekannt, dass im Entropiediagramm die im Laufe der verschiedenen Arbeitsvorgänge mit der Umgebung ausgetauchten Wärmemengen durch die Flächen gemessen werden, die unterhalb der entsprechenden Diagrammlinien dieser Arbeitsvorgänge liegen, während frei gewordene oder verbrauchte Energiemengen durch die Flächen dargestellt werden, die zwischen den Linien liegen, die den Kreisprozess abschliessen.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Kreisprozess wird die der Warme quelle entnommene Wärmemenge durch die Fläche gemessen, die unterhalb der Kurve B', 0'liegt (d. h. die Fläche, die durch die Kurve B', C', die beiden durch Punkte B'und 0'hindurchgehenden Senkrechten und die absolute Nullinie gebildet wird), während die aus der Umgebung entnommene und der Kälteerzeugung entsprechende Wärmemenge durch die unterhalb der Kurve D, A liegende Fläche dargestellt wird. Die verbrauchte Energie ist durch die Fläche. A, B, C, D und die freigegebene Energie durch die Fläche A', B', 0', D'dargestellt. Letztere muss theoretisch gleich, in der Praxis aber grösser sein als die Fläche A, B, C, D, um den Verlusten Rechnung zu tragen.
Diese letztere Bedingung (A', B', C, D' A, B, 0, D) macht es in dem Fall der Fig. 1 bei den verschiedenen Arbeitsvorgängen des treibenden Teiles des Kreisprozesses notwendig, dass die Wärmemengen (gemessen an den unter den Diagrammlinien dieser Arbeitsvorgänge liegenden Flächen) mindestens von der gleichen Grösse sind wie die dem aufnehmenden Teil des Kreisprozesses entsprechenden Wärmemengen. Tatsächlich haben die ungefähre Gleichheit der Flächen. A, B, C, D und. A', B', C', D'und der annähernd gleiche Wert ihrer Ordinaten einen ungefähr gleichen Wert ihrer Breiten und infolgedessen der unter den Diagrammlinien liegenden Flächen zur Folge.
Nun wird, wie bereits erwähnt, die dem treibenden Teil zugeführte Wärme durch die unterhalb der Linie B', 0'liegende Fläche gemessen, von welcher der durch die Fläche A', B', C', D'dargestellte Teil verbraucht wird, während die noch verfügbare Wärme durch die unterhalb der Linie A', D'liegende Fläche gemessen wird ; ferner wird die im aufnehmenden Teil erzeugte Kälte, d. h. die aus der Umgebung aufgenommene Wärme, durch die unterhalb der Linie D, A liegende Fläche gemessen, während die Wärme, welche bei einer höheren Temperatur als die Temperatur der Umgebung abgeleitet werden muss, durch die unterhalb der Linie B, C liegende Fläche dargestellt ist. Die Wärme, welche aus dem gesamten System abgeleitet werden muss, d. h. im System nutzbar gemacht wird, entspricht somit der unterhalb der gebrochenen Linie C, B, A,. A', D'liegenden Fläche.
Diese erzeugte Wärme weist eine höhere Temperatur auf als die Temperatur der Umgebung und eine niedrigere Temperatur als die Temperatur der im treibenden Teil verbrauchten Wärme. Ihre Menge, in Wärmeeinheiten gemessen, ist grösser als die Menge der im treibenden Teil verbrauchten Wärme, u. zw. weil die Kälteerzeugung zu den Wärmeeinheiten des treibenden Teiles noch weitere Wärmeeinheiten hinzufügt. In dem in Fig. 1 dargestellten Fall vermag eine im treibenden Teil verbrauchte Wärmeeinheit fast eine Kälteeinheit und fast zwei Wärmeeinheiten bei niedrigerer Temperatur zu erzeugen.
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(Kurve B', 0') gering bleiben kann, während die aus der Umgebung entnommene Wärme (Kurve C, D und D, A) und die auf eine höhere Temperaturstufe gebrachte Wärme (Kurve.
A, B und B, C) in einem Verhältnis zueinander stehen, das unter der Bedingung eines ausreichend grossen Druckabstandes bei einem gleichen Temperaturabstand des aufnehmenden Teiles theoretisch so gross, wie man wünscht, gemacht werden kann. Der Energieverbrauch für jeden Teil des Kreisprozesses ist durch die entsprechende schraffierte Fläche gekennzeichnet. Man sieht aus dem Diagramm der Fig. 6, dass bei einem Energieverbrauch der gleichen Grössenordnung, wie beispielsweise in dem Fall der Fig. 1, der aufnehmende Teil des Kreisprozesses erheblich grössere thermische Wirkungen auslöst. Infolgedessen könnten durch Aufwand einer Wärmeeinheit theoretisch n Kälteeinheiten erzeugt oder n Wärmeeinheiten bei niedrigerer Temperatur nutzbar gemacht werden, wobei der Wert von n von dem Verhältnis der Temperaturunterschiede abhängt.
In Wirklichkeit bietet die Durchführung von isothermen Verdichtungen und Entspannungen sowie die Ausnutzung der während der Verdichtungen frei gewordenen Wärme grosse Schwierigkeiten. Man zieht es vor, an deren Stelle eine Aufeinanderfolge von abgestuften Verdichtungen und Entspannungen
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zu setzen. Die einzelnen Stufen sind dabei durch'Wärmeaustauschvorgänge mit konstantem Druck voneinander getrennt.
Die Fig. 7 stellt in einem Entropiediagramm einen Kreisprozess nach der Erfindung dar, dessen aufnehmender Teil zwei Stufen mit den folgenden Arbeitsvorgängen umfasst : A, B adia- batische Verdichtung, B, C Wärmeabgabe, C, D zweite adiabatische Verdichtung, D, E zweite Wärme- abgabe, E, F adiabatische Entspannung, F, G Kälteerzeugung, G, H zweite adiabatische Entspannung, H, A zweite Kälteerzeugung.
Die Zahl der Stufen kann ohne Schwierigkeiten beliebig vermehrt werden. Man kann ohne Rück- sicht auf die Zahl der Stufen dann in der Weise vorgehen, dass die Volumsänderung bei einem Wärme- austausch stets durch eine umgekehrte Volumsänderung bei einem andern Wärmeaustausch ausgeglichen wird. Die Volumsänderung bei der Abkühlung B, C kann beispielsweise durch eine
Volumsänderung im umgekehrten Sinne bei der Erwärmung F, G ausgeglichen werden. Auf diese
Weise gleichen sich die Volumsänderungen in umgekehrter Richtung während der aufeinander- folgenden Stufen des aufnehmenden Teiles gegenseitig bis auf die letzte, d. h. die Stufe des höchsten Druckes aus. Diese allein muss durch eine Zufuhr von aussen, bedingt durch die
Erwärmung B', C'ausgeglichen werden.
Die Fig. 8 zeigt schematisch eine Anordnung von Vorrichtungen, die zur Durchführung des Arbeits- prozesses nach Fig. 7 verwendet werden können. Während der treibende Stromkreis die gleichen Elemente wie die Anlage nach Fig. 2 umfasst, besteht der aufnehmende Stromkreis aus zwei Verdichterstufen 1, 11 und zwei Entspannungsstufen 2, 12 sowie aus dazwischengeschalteten Austauschern 13, 14. Ebenso wie vorher sind die Verbindungen, die das Kreisen des Volumsaustauschstromes zwischen den Strömen mit gleichem Druck ermöglichen, mit 5 und 6 bezeichnet. Eine zusätzliche Verbindung im aufnehmenden
Stromkreis ist bei 15 vorgesehen, damit die Volumsänderung des Gases in den Austauschern 13, 14 ausgeglichen werden kann.
In den Fällen, in denen eine grössere Anzahl von Stufen verwendet wird, ist zwischen den beiden Austauschern mit dem gleichen Druck einer jeden Stufe eine Verbindung 15 vor- gesehen. Das ergibt die Möglichkeit einer Verringerung des Austauschers des Gasvolumens mit dem treibenden Strom auf das für die letzte Druckstufe notwendige Mass.
Wie eingangs ausgeführt, können in manchen Anwendungsfällen für den Kreisprozess nach der
Erfindung im treibenden Stromkreis Verbrennungsgase und im aufnehmenden Stromkreis atmosphärische
Luft verwendet werden. Auf diese Weise kann die Verwendung von mehreren Wärmeaustauschern vermieden werden. Die Fig. 9 zeigt ein der Fig. 1 ähnliches Entropiediagramm, in dem jedoch die obere
Isobare diejenige des atmosphärischen Druckes ist. Das gibt die Möglichkeit der unmittelbaren Ver- wendung eines heissen Gases, beispielsweise eines von einer Verbrennung stammenden Gases. Die Aus- gangsstelle für den treibenden Teil des Kreisprozesses liegt dann bei A'.
Von dieser Stelle aus wird das beispielsweise aus einem Kamin entnommene heisse Gas bis zu dem Punkt B'entspannt, bis zu dem
Punkt C'gekühlt, sodann verdichtet und schliesslich bei D'in die Atmosphäre freigegeben. Der auf- nehmende Teil des Kreisprozesses umfasst eine Entnahme von atmosphärischer Luft bei A, eine Ent- spannung A, B, eine Erwärmung B, C mit Wärmeaufnahme aus der Umgebung und schliesslich eine Ver- dichtung C, D mit Rückführung von Luft in die Atmosphäre bei D. Das Luftvolumen ist von A bis C vergrössert worden, während das Gasvolumen von A'bis C'verringert worden ist. Die Stellen C und C' können (Fig. 10) durch eine Leitung 10 miteinander verbunden werden. Diese Leitung wird von einem
Strom durchflossen, der ständig vom aufnehmenden Strom zum treibenden Strom hin gerichtet ist.
Diese Verbindung gibt mit Vorteil die Möglichkeit einer unmittelbaren Verwendung von Ver- brennungsgasen. Daneben wird dem Ausgleichsstrom eine Richtung gesichert, in der eine Verdünnung der Verbrennungsgase eintritt, wogegen das Gas des aufnehmenden Teiles unversehrt bleibt.
Der Kreisprozess nach Fig. 9 kann, ebenso wie die Kreisprozesse nach den vorher behandelten
Diagrammen, in der vorhin angegebenen Weise in Stufen und mit allen geeigneten Vorrichtungen,
Verdichtern und Entspannungsvorrichtungen durchgeführt werden.
Es ist indessen vorteilhaft, bei der Durchführung der Kreisprozesse nach der Erfindung für die
Entspannungen und die Verdichtungen drehbare Vorrichtungen zu verwenden, wie sie im Patent
Nr. 141054 beschrieben sind. In diesen Vorrichtungen werden diese Vorgänge durch Wechselwirkung der Gase im Entspannungs-und im Verdichtungsabschnitt ohne Zwischenschaltung von körperlichen
Wänden durchgeführt.
Während die Übertragung mechanischer Energie vom treibenden Teil auf den aufnehmenden Teil bereits durch die Verknüpfung dieser beiden Teile, gemäss der Erfindung, vermieden wird, kommt durch die Verwendung der erwähnten Vorrichtungen auch noch die Übertragung mechanischer
Energie von der Entspannungsvorrichtung zum Verdichter ein und desselben Teiles in Fortfall, weil dort die gegenseitige Wirkung der Gase im Entspannungs- und im Verdichtungsabschnitt ohne Zwischen- schaltung von körperlichen Wänden durchgeführt wird. Es wird so ein weiterer Schritt hinsichtlich der
Vermeidung von Energieübertragungen in mechanischer Form getan.
Die Vorrichtungen dieser Art bestehen im allgemeinen aus einem Rotor, der mit einem Kranz von Kammern 16 versehen ist (Fig. 11). Diese Kammern sind durch radiale Wände 17 voneinander getrennt und gegenüber einem Mantel 18 relativ bewegbar. Im Laufe einer Umdrehung durchquert jede
Kammer nacheinander eine Zone A, B, in der das in der Kammer enthaltene Gas verdichtet und somit
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und durch das aus dem Austauscher 3 austretende Gas von gleichem Druck, jedoch von tieferer Temperatur ersetzt wird. Sodann durchquert diese Kammer eine Zone C, D, wo das kalte Gas entspannt und somit weiter abgekühlt wird, und schliesslich eine Zone D, A, wo das entspannte Gas in einen Wärmeaustauscher 4 gelangt.
In diesem Austauscher erwärmt sich das Gas, beispielsweise auf Kosten der umgebenden Luft ; es wird dann durch das aus dem Austauscher 4 austretende wärmere Gas mit dem gleichen niedrigen Druck ersetzt.
Diese Vorrichtungen sind so eingerichtet, dass sich das verdichtete Gas durch unmittelbare Einwirkung entspannen kann, um das zu verdichtende Gas zu verdrängen und zu verdichten, ohne dass dazu mechanische Organe notwendig sind.
Zu diesem Zwecke werden durch eine Steuerung in Form von Kanälen 19 nacheinander die Kammern, die das den Bogen 0, D durcheilende und zu entspannende Gas enthalten, mit denjenigen Kammern in Verbindung gesetzt, die das den Bogen A, B durchströmende, zu verdichtende Gas enthalten, so dass sich zwischen den beiden Reihen von Räumen, sofern die in ihnen herrschenden Drücke einen geringen Unterschied aufweisen, ein gasförmiger Strom bildet, der die allmähliche Verringerung des Druckes von 0 bis D sowie das allmähliche Ansteigen des Druckes von A bis B sichert. Der auf diese Weise ausgetauschte Strom wird derart gehalten und geführt, dass er sich wie eine gasförmige Wand zwischen die beiden Gaskategorien einschiebt.
Das Fliessen des Stromes vom Entspannungsteil zum Verdichtungsteil würde selbst bei Verwendung vollkommen arbeitender Vorrichtungen zur Durchführung der Verdichtung infolge der Volumsänderung unzureichend sein, die das Gas in den Wärmeaustauschern erleidet. Die Vervollständigung ergibt sich im Sinne des Patentes Nr. 141054 durch einen mit dem Rotor der Vorrichtung verbundenen Verdichter.
Dadurch können die Volumina der Rotorräume während der Abschnitte des konstanten Druckes ver- änderlich gehalten werden.
Die vorliegende Erfindung gibt also das Mittel, die Erzeugung von mechanischer Energie zum Zwecke des Ausgleiches der Änderungen der Gasvolumina zu vermeiden. Wenn man nämlich in der soeben beschriebenen Vorrichtung die Arbeitsfolge des aufnehmenden Teiles des Stromkreises und in einer ähnlichen Vorrichtung die den treibenden Teil des Stromkreises bildenden Vorgänge durchführt, so genügt es zur selbsttätigen Hervorrufung eines gasförmigen Ausgleichsstromes die unter konstantem Druck stehenden Austauscher oder Leitungen an solchen Stellen der Stromkreise zu verbinden, in denen sich die die umgekehrt gerichteten Volumsänderungen hervorrufenden thermischen Arbeitsgänge abspielen, u. zw. dort, wo sich die Drücke und Temperaturen nahekommen.
Die Fig. 12 zeigt bei 5 und 6 eine derartige Verbindung zwischen zwei Vorrichtungen, wie sie ähnlich auch in der Fig. 11 dargestellt sind. Die Fig. 12 ist jedoch schematisch im Diametralschnitt gezeigt.
Diese als Beispiele dargestellten Vorrichtungen gehören der Gattung an, bei der die Gasströme in den Kammern parallel zur Drehachse kreisen. Die Erfindung kann jedoch bei andern Arten dieser Vorrichtungen verwendet werden.
Aus Gründen der Vereinfachung können die beiden Vorrichtungen in einem einzigen Rotor mit doppeltem Kammernkranz vereinigt werden (Fig. 13). Der vollständige Kreisprozess wird dann mittels einer einzigen drehbaren Vorrichtung sowie mit Wärmeaustauschern durchgeführt.
Obgleich die genannte drehbare Vorrichtung insbesondere für die wirtschaftliche Durchführung des Kreisprozesses nach der Erfindung verwendbar ist, so können doch hiezu auch alle geeigneten Verdichter und Entspannungsvorrichtungen verwendet werden. Die Durchführung der Erfindung in ihrer einen oder andern Erscheinungsform ist unabhängig von der Wahl der zur Abwicklung der Arbeitsvorgänge des Kreisprozesses verwendeten Vorrichtungen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie, dadurch gekennzeichnet, dass während auf verschiedene Gasmengen gleichzeitig zwei Reihen von Arbeitsgängen einwirken-von denen die eine eine Verdichtung mit darauffolgender Erwärmung, eine Entspannung und eine Abkühlung (treibender Teil) und die andere eine Verdichtung mit darauffolgender Abkühlung, eine Entspannung-und eine Wiedererwärmung (aufnehmender Teil) umfasst-die Stromkreise, in denen diese beiden Reihen von Arbeitsgängen durchgeführt werden, so in Verbindung gebracht werden, dass ein Übertritt von Gas unter dem nach der Verdichtung erreichten Druck vom treibenden Teil zum aufnehmenden Teil hin und ein Übertritt von Gas unter dem nach der Entspannung erreichten Druck vom aufnehmenden zum treibenden Teil stattfindet,
um in dem einen der Teile die infolge der Abkühlung stattfindende Volumsverringerung durch die Volumsvergrösserung infolge der Erwärmung im andern Teil auszugleichen.
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Methods and devices for converting thermal energy.
The invention relates to a method for converting heat into cold and an amount of heat at a high temperature into a larger amount of heat at a lower temperature.
In a refrigeration machine or in a heat pump in which gases are used as operating material, work processes are used that consist of compression, heat release at constant, relatively high pressure, expansion and heat absorption at constant, relatively low pressure. It is known that such work processes require an amount of energy that is equal to the difference between that used to compress the gas
Energy and the energy recovered when the gas is expanded. This difference is due to the reduction in volume of the gas under high pressure that occurs during cooling or the increase in volume of the gas that occurs during heating under the low pressure, as well as through gas losses.
The absorbed energy is generally supplied in mechanical form by a motor.
The aim of the invention is to make this motor dispensable and it by a
To replace energy additives in thermal form, u. in such a way that the energy can be used immediately and the losses caused by energy conversions and in particular by the need to use mechanical devices are avoided. This naturally also avoids the practical difficulties that result from the use of mechanical devices. In some cases, the invention enables the use of a heat source instead of an energy source with a better degree of efficiency than when using the known methods, such as those used, for example, in absorption refrigeration machines, for the generation of cold.
Another advantage is that air can be used as the only operating medium.
Another aim of the invention is to provide a large amount of heat or cold at a relatively low temperature by using a small amount of heat at a relatively high temperature; H. to create the means which plays a similar role to heat as the electric transformer plays to electricity.
The invention also seeks to e.g. B. to generate cold, the use of heat sources with a relatively low temperature, for example combustion gases cooled to 100-200 C, which are practically unusable in the usual processes.
In broad terms, the invention can be characterized as follows: Two series of operations are applied to different amounts of gas at the same time, one of which (the "driving" part) involves compression with subsequent heating, relaxation and one
Cooling, the other (the "receiving" part) a compression with subsequent cooling, a
Includes relaxation and rewarming. The circuits in which these two rows of
Operations carried out are brought into connection with each other in such a way that a transfer of gas under the pressure achieved after compression from the driving to the receiving part and a transfer of gas under the pressure achieved after the expansion from the receiving to the driving part is caused.
Or in other words: it will be next to the change in volume
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of the gas, which in the first series of work processes is an inevitable consequence of the desired thermal effect and which results in an energy absorption, generates a reverse thermal effect through a second series of work processes, which results in a change in volume of the gas, so that energy is released can occur. This change in volume of the gas is used to compensate for the first change in volume. For this purpose, a connection is established between the two circuits in which the reverse thermal work processes take place, which enables the formation of a gaseous flow, hereinafter referred to as "compensating flow", and thus closes a work process in which a constant amount of gas works.
This compensating flow can be created simply by establishing a connection between the heat exchangers of the two flows, which are under the same and constant pressure, when each of the two flows circulates between the same pressure limits. The equalizing flow can, however, also be passed through a machine which generates or uses a pressure difference when it is necessary to equalize the gas pressure between two flows of different pressure. In this way, the compression work and the relaxation work in each of the
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Purely mechanical energy borrowed from it is thus limited to the compensation of the frictional forces.
This energy can be derived from excess energy in the driving part of the cycle either in the form of an excess of compressed gas or in the form of a higher pressure difference in the driving part of the work process compared to the receiving part.
The extraction of gas from one circuit and the introduction of this gas into the other circuit takes place in front of or behind the heat exchangers at points where the temperatures are as close as possible to avoid disturbances of the thermal effect of the cycle. For example, the entire amount of gas to be processed can be compressed and then divided into two parts, the larger part of which is diverted into an exchanger and cools there, while the smaller part flows into an exchanger, in which it is heated, so that after the Passing through this exchanger, the corresponding volumes have been changed in opposite directions and the expansion of the two gas quantities can take place separately from one another.
In one embodiment of the invention, which is particularly advantageous with regard to the efficiency of the thermal deformation, the compressions and relaxations in the driving part of the cycle take place adiabatically, in the receiving part, however, more according to isotherms. This creates the possibility, on the one hand, to make the driving part of the cycle suitable for the generation of compressed gas with the lowest possible heat consumption and, on the other hand, to enable the receiving part of the cycle to utilize the compressed gas with as high a thermal efficiency as possible, as will be explained in more detail below becomes.
Instead of carrying out the isothermal compressions and expansions, which are difficult to achieve in practice, in the absorbing part of the work process, when approximately the same advantages are achieved, the compressions and expansions can be divided into several stages, with a heat exchange taking place in each stage. The corresponding change in volume is compensated for by the formation of a gas flow between the exchangers, in which the thermal processes take place in opposite directions.
An important application of the method according to the invention arises from the possibility of using gases with a temperature of 100 to 2000 C, ie z. B. combustion gases to use, which are usually discharged as worthless. This possibility is given by the fact that the thermal work processes carried out have temperature differences of the same order of magnitude, e.g. B. of a few dozen degrees correspond, which is sufficient in practice to generate cold.
In one embodiment of the method, instead of being used in heat exchangers, the hot gases (combustion gases) pass directly through the driving part of the cycle, which is even more advantageous. It is sufficient for this that the highest pressure of the cycle is equal to the pressure of the environment. The lowest pressure is obtained by relaxing the hot gases. These gases, which are then cooled and then brought to atmospheric pressure, maintain expansion, heat absorption at constant pressure (i.e. the generation of cold) and recompression by being drawn into a receiving circuit operating at negative pressure.
The electrical circuit of the driving part of the work process closes through the line from which the hot gases were drawn off, while the electrical circuit of the absorbing part of the work process closes through the atmosphere. Under these circumstances, the gases from the driving part and the receiving part of the cycle can be mixed in such a way that the gases from the driving part do not penetrate the receiving part and the gases from the two streams are not mixed.
The above-described method can be carried out using compressors and expansion machines of any known type. The implementation of the method is particularly advantageous and corresponds better to the basic idea of the invention, namely the avoidance of useless energy
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conversions, if devices are used to carry out compression and expansion, which can be used simultaneously as compressors and expansion machines, as described in patent no. 141054. In these devices, without the use of mechanical organs, there is an exchange of pressure between the same gas volumes which have mutually different temperatures; these are the different temperatures that are assumed when passing through the heat exchanger.
In this way one avoids not only the mechanical transfer of energy from one stream to the other, but also the mechanical transfer of energy from the compressor to the expansion device of each circuit.
Devices of this type can be connected in pairs or with one another in such a way that the compensating current between the two parts of the circuit compensates for the pressure fluctuations caused by the gas in the heat exchangers and any losses. The conversion of energy in the form of gas pressure into mechanical energy is almost completely eliminated.
The drawing shows diagrams which illustrate the processes involved in carrying out the method according to the invention, and devices for carrying out various types of the new method are shown schematically, for example.
Fig. 1 is an entropy diagram which shows side by side the receiving part and the driving part of a cycle according to the invention; FIGS. 2 and 3 schematically show circuit arrangements which are used to carry out the relationships shown in the diagram of FIG.
Fig. 4 is another diagram; Fig. 5 is a schematic of the circuit corresponding to the diagram of Fig. 4. Figs. 6 and 7 show further entropy diagrams; FIG. 8 illustrates a current profile corresponding to the diagram according to FIG. 7. Fig. 9 is an entropy diagram; FIG. 10 shows a current profile which is particularly suitable for the utilization of industrial gases. 11 shows a rotatable device which can be used as a compression and expansion device and is particularly suitable for the purposes of the invention; Fig. 12 is a schematic section of Fig. 11; FIG. 13 shows a section, similar to FIG. 12, of a modification form.
The entropy diagram according to FIG. 1 relates to an embodiment of the invention in which the compressions and relaxations of both series of work proceed adiabatically. A, B, C, D represents the absorbing part of the cycle. This includes the work processes that take place in the refrigeration machines and the heat pumps, i. H. the following sections: A, B adiabatic compression of the gas; B, C cooling at constant pressure; C, D adiabatic relaxation; D, A heating at constant pressure at the expense of the environment, d. H. Refrigeration.
At the same time as these operations, another series of reverse operations (driving part of the cycle) is performed in the following order: A ', B'adiabatic densification; B ', C' heating at constant pressure by a heat source; C ', D'adiabatic relaxation; D ', A' cooling at constant pressure.
When processing sections A, B, C, D, the gas is subject to an increase in volume during heating D, A, which would have to be compensated for by an amount of mechanical energy if the circuit including the gas were closed in itself. The gas passing through sections A ', B', C ', D' is subject to a volume reduction in the same way during cooling D ', A'. According to the invention, the increase in volume in the course of the first series of work processes is compensated for by the decrease in volume in the course of the second series of work. This is achieved by establishing a connection between the two circuits at points A and A '.
Likewise, through a connection between points B and B ', the increase in volume on section B'C' compensates for the volume reduction to which the gas in the receiving circuit is exposed during cooling on section B, C.
Such a device is shown in FIG. 2, where 1, 1 'compressor, 2, 2' expansion machines, 3, y and 4, 4 'are designated heat exchangers. In front of and behind the compressors 1, T, connections 5, 6 are made between the two circuits in order to allow the gas flow through which the corresponding changes in volume are to be compensated for during the pressure section. The excess gas passing over at the connection point 5 from the receiving to the driving circuit is recovered again at the connection point 6 through the latter. In this way, an exchange flow (volume exchange flow) continuously circulates in a constant direction through the connection points 5 and 6.
As a result, the considerable work that would otherwise have to be expended to compensate for the volume changes caused by the successive heating and cooling in the receiving circuit can be omitted.
Although two compressors, two expansion machines and four exchangers are shown in FIG. 2, the compressors, the expansion devices, the exchangers or, as will be shown below, individual ones of them can also be connected to one another. Thus, FIG. 3 schematically shows an embodiment in which only a single compressor 7 is used.
It is also possible u. with particular success in maintaining different pressure differences in the driving and receiving part of the circuit. FIG. 4 shows one of FIG. 1
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Similar entropy diagram, but the difference in the pressure limits for the driving part X, B ', 0', D 'is greater than for the receiving part A, B, 0, D.
In this case, as can be seen from FIG. 5, the connection between the exchangers with high pressure of the two circuits is established by an expansion device 8 in which the reusable energy is obtained by expanding the gas flow passing over from the driving to the receiving flow. This energy can be used, for example, to compensate for the energy losses caused by the friction between the moving organs.
FIG. 6 shows, in the form of an entropy diagram, a favorable embodiment of the invention in which the driving part A ', B', 0 ', D' of the work process comprises the same work processes as the previously mentioned embodiments, with compression and relaxation run adiabatically, while with the receiving part. A, B, 0, D the compression. A, B and the relaxation C, D run near an isotherm.
The advantage of such an arrangement results from the following considerations: It is known that in the entropy diagram the amounts of heat exchanged with the environment in the course of the various work processes are measured through the areas that lie below the corresponding diagram lines of these work processes, while those that have become free or used Amounts of energy are represented by the areas that lie between the lines that complete the cycle.
In the cycle process shown in FIG. 1, the amount of heat removed from the heat source is measured by the area that lies below curve B ', 0' (ie the area that is defined by curve B ', C', the two by points B. 'and 0' continuous perpendiculars and the absolute zero line is formed), while the amount of heat taken from the environment and corresponding to the cold generation is represented by the area below the curve D, A. The energy consumed is through the area. A, B, C, D and the released energy represented by the area A ', B', 0 ', D'. The latter must theoretically be the same, but in practice it must be larger than the area A, B, C, D in order to take account of the losses.
This latter condition (A ', B', C, D 'A, B, 0, D) makes it necessary in the case of FIG. 1 in the various work processes of the driving part of the cycle that the heat quantities (measured on the under the diagram lines of these work processes) are at least the same size as the heat quantities corresponding to the absorbing part of the cycle. In fact, the areas have approximate equality. A, B, C, D and. A ', B', C ', D' and the approximately equal value of their ordinates result in approximately the same value of their widths and, consequently, of the areas below the diagram lines.
Now, as already mentioned, the heat supplied to the driving part is measured by the area below the line B ', 0', by which the part represented by the area A ', B', C ', D' is consumed while the heat still available is measured by the area below the line A ', D'; furthermore, the cold generated in the female part, i. H. the heat absorbed from the environment, measured by the area below the line D, A, while the heat which has to be dissipated at a higher temperature than the temperature of the environment is shown by the area below the line B, C. The heat that needs to be dissipated from the entire system, i.e. H. is made usable in the system, thus corresponds to the one below the broken line C, B, A ,. A ', D' lying area.
This generated heat has a higher temperature than the temperature of the surroundings and a lower temperature than the temperature of the heat consumed in the driving part. Their amount, measured in thermal units, is greater than the amount of heat consumed in the driving part, etc. zw. Because the cold generation adds further heat units to the heat units of the driving part. In the case shown in Fig. 1, a thermal unit consumed in the driving part can generate almost one cooling unit and almost two heating units at a lower temperature.
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(Curve B ', 0') can remain low, while the heat removed from the environment (curve C, D and D, A) and the heat brought to a higher temperature level (curve.
A, B and B, C) are in a relationship to one another that can theoretically be made as large as one wishes under the condition of a sufficiently large pressure distance with the same temperature distance of the receiving part. The energy consumption for each part of the cycle is indicated by the corresponding hatched area. It can be seen from the diagram in FIG. 6 that with an energy consumption of the same order of magnitude as, for example, in the case of FIG. 1, the absorbing part of the cyclic process triggers considerably greater thermal effects. As a result, theoretically n cooling units could be generated or n heating units could be made usable at a lower temperature by spending a heating unit, the value of n being dependent on the ratio of the temperature differences.
In reality, the implementation of isothermal compressions and releases as well as the utilization of the heat released during the compressions present great difficulties. It is preferred to replace them with a succession of graduated densities and relaxations
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to put. The individual stages are separated from one another by heat exchange processes with constant pressure.
7 shows an entropy diagram of a cycle process according to the invention, the receiving part of which comprises two stages with the following operations: A, B adiabatic compression, B, C heat release, C, D second adiabatic compression, D, E second Heat release, E, F adiabatic relaxation, F, G cold generation, G, H second adiabatic relaxation, H, A second cold generation.
The number of stages can be increased at will without difficulty. Regardless of the number of stages, one can proceed in such a way that the change in volume in the case of one heat exchange is always compensated for by a reverse change in volume in the case of another heat exchange. The change in volume during the cooling B, C can, for example, by a
Change in volume in the opposite sense when F, G are heated. To this
In the opposite direction, the changes in volume during the successive stages of the receiving part are mutually similar except for the last, i.e. H. the level of the highest pressure. This alone must come from an outside supply, due to the
Warming B ', C' can be compensated.
FIG. 8 schematically shows an arrangement of devices which can be used to carry out the work process according to FIG. While the driving circuit includes the same elements as the system according to FIG. 2, the receiving circuit consists of two compressor stages 1, 11 and two expansion stages 2, 12 and interconnected exchangers 13, 14. As before, the connections that make the circuit allow the volume exchange flow between the flows with the same pressure, denoted by 5 and 6. An additional connection in the receiving
Circuit is provided at 15 so that the change in volume of the gas in the exchangers 13, 14 can be compensated.
In cases in which a larger number of stages is used, a connection 15 is provided between the two exchangers with the same pressure in each stage. This results in the possibility of reducing the exchanger of the gas volume with the driving current to the extent necessary for the last pressure stage.
As stated at the beginning, in some applications for the cycle after the
Invention in the driving circuit combustion gases and in the receiving circuit atmospheric
Air can be used. In this way, the use of several heat exchangers can be avoided. FIG. 9 shows an entropy diagram similar to FIG. 1, but in which the upper
Isobar is that of atmospheric pressure. This makes it possible to use a hot gas immediately, for example a gas from a combustion. The starting point for the driving part of the cycle is then at A '.
From this point, for example, the hot gas taken from a chimney is expanded up to point B ', up to
Point C'cooled, then compressed and finally released into the atmosphere at D'. The absorbing part of the cycle includes extraction of atmospheric air at A, relaxation A, B, warming B, C with heat absorption from the environment and finally compression C, D with return of air to the atmosphere at D. The air volume has been increased from A to C, while the gas volume has been reduced from A'to C '. The points C and C 'can (FIG. 10) be connected to one another by a line 10. This line is from a
Current flows through it, which is constantly directed from the absorbing current to the driving current.
This connection advantageously enables the direct use of combustion gases. In addition, the equalizing flow is ensured a direction in which a dilution of the combustion gases occurs, whereas the gas in the receiving part remains intact.
The cycle process according to FIG. 9 can, just like the cycle processes according to those previously discussed
Diagrams, in the manner indicated above, in stages and with all suitable devices,
Compressors and expansion devices are carried out.
It is advantageous, however, when performing the cycle processes according to the invention for
Relaxations and compressions use rotatable devices as described in the patent
No. 141054. In these devices, these processes are carried out by the interaction of the gases in the expansion and compression sections without the interposition of physical
Walls carried out.
While the transmission of mechanical energy from the driving part to the receiving part is already avoided by linking these two parts according to the invention, the use of the devices mentioned also results in a more mechanical transmission
Energy from the expansion device to the compressor of one and the same part is omitted, because there the mutual effect of the gases in the expansion and compression section is carried out without the interposition of physical walls. So it becomes another step in terms of that
Avoidance of energy transfers done in mechanical form.
The devices of this type generally consist of a rotor which is provided with a ring of chambers 16 (Fig. 11). These chambers are separated from one another by radial walls 17 and can be moved relative to a jacket 18. In the course of one revolution each crosses
Chamber one after the other a zone A, B, in which the gas contained in the chamber is compressed and thus
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and is replaced by the gas exiting the exchanger 3 at the same pressure but at a lower temperature. This chamber then crosses a zone C, D, where the cold gas is expanded and thus further cooled, and finally a zone D, A, where the expanded gas passes into a heat exchanger 4.
In this exchanger, the gas is heated, for example at the expense of the surrounding air; it is then replaced by the warmer gas exiting the exchanger 4 at the same low pressure.
These devices are set up in such a way that the compressed gas can relax through direct action in order to displace and compress the gas to be compressed, without the need for mechanical organs.
For this purpose, the chambers which contain the gas passing through the arc 0, D and to be expanded are connected to those chambers which contain the gas to be compressed flowing through the arc A, B through a control in the form of channels 19 So that between the two rows of rooms, provided that the pressures in them show a slight difference, a gaseous flow forms, which ensures the gradual decrease in pressure from 0 to D and the gradual increase in pressure from A to B. The flow exchanged in this way is held and conducted in such a way that it slides between the two gas categories like a gaseous wall.
The flow of the current from the expansion part to the compression part would be inadequate even with the use of fully functioning devices for performing the compression due to the change in volume which the gas undergoes in the heat exchangers. The completion results in the sense of patent no. 141054 by a compressor connected to the rotor of the device.
As a result, the volumes of the rotor spaces can be kept variable during the sections of constant pressure.
The present invention thus provides the means of avoiding the generation of mechanical energy for the purpose of compensating for the changes in the gas volumes. If one carries out the work sequence of the receiving part of the circuit in the device just described and the processes forming the driving part of the circuit in a similar device, then the constant pressure exchangers or lines at such points are sufficient to automatically generate a gaseous equalizing flow to connect the circuits in which the reversed volume changes causing thermal processes take place, u. between where the pressures and temperatures come close.
FIG. 12 shows at 5 and 6 such a connection between two devices, as they are similarly shown in FIG. However, Fig. 12 is shown schematically in diametrical section.
These devices, shown as examples, belong to the type in which the gas flows in the chambers circle parallel to the axis of rotation. However, the invention can be used with other types of these devices.
For the sake of simplicity, the two devices can be combined in a single rotor with a double chamber ring (FIG. 13). The complete cycle process is then carried out by means of a single rotatable device and with heat exchangers.
Although the said rotatable device can be used in particular for the economic implementation of the cycle according to the invention, all suitable compressors and expansion devices can also be used for this purpose. The implementation of the invention in one form or another is independent of the choice of the devices used to carry out the operations of the cycle.
PATENT CLAIMS:
1. A method for converting thermal energy, characterized in that two series of operations act simultaneously on different amounts of gas - one of which is compression with subsequent heating, relaxation and cooling (driving part) and the other is compression with subsequent cooling , a relaxation - and a reheating (receiving part) comprises - the electrical circuits in which these two series of operations are carried out, are brought into connection so that a transfer of gas under the pressure achieved after compression from the driving part to the receiving part there and then a transfer of gas takes place under the pressure reached after the expansion from the receiving to the driving part,
in order to compensate in one of the parts the reduction in volume due to the cooling caused by the increase in volume due to the heating in the other part.