AT520661A1 - Thermodynamische Maschine mit Ackeret-Keller Kreisprozess - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine thermodynamische Maschine, die zwischen zwei Wärmereservoiren nach dem Ackeret-Keller Kreisprozess arbeitet. Die Maschine kann sowohl als Wärmekraft- (Rechtsprozess) als auch als Kraftwärme-Maschine (Linksprozess) betrieben werden und erreicht einen hohen thermischen Wirkungsgrad. Erfindungsgemäß werden als Verdichter des gasförmigen Fluids mehrstufige Radialverdichter und als Expander mehrstufige Radialturbinen verwendet. Der prozesskonforme Wärmetransport zwischen dem Fluid und dem jeweiligen Wärmereservoir erfolgt mittels Wärmerohre, die als ,,heat pipes" oder nach dem 2-phasen Thermosiphon Prinzip ausgebildet sind. Bei der Verwendung als Wärmekraftmaschine erfolgt die Änderung der Leistung bei annähernd gleicher Drehzahl, gleichbleibendem Druck- und Temperaturverhältnis durch Erhöhen bzw. Verringern des Massenstroms des Fluids. Dadurch kann die Maschine für einen optimalen Betriebspunkt ausgelegt werden und erreicht dann einen hohen Gesamtwirkungsgrad.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG, STAND DER TECHNIK

Die Erfindung betrifft eine thermodynamische Maschine, die zwischen zwei Wärmereservoiren nach dem Ackeret-Keller Kreisprozess arbeitet. Die Maschine kann sowohl als Wärmekraft- als auch als Kraftwärme-Maschine betrieben werden.

Thermodynamische Maschinen arbeiten in einem Kreisprozess zwischen zwei Wärmereservoiren, eines mit hoher Temperatur und eines mit niederer Temperatur.

Eine thermodynamische Maschine, die Wärme in mechanische Energie wandelt, wird Wärmekraftmaschine genannt. Eine thermodynamische Maschine, die unter Einsatz mechanischer Energie Wärme fordert, wird als Kraftwärmemaschine bezeichnet.

Einer idealen Wärmekraftmaschine wird aus dem Reservoir mit hoher Temperatur (Wärmequelle) Wärme zugefuhrt und Wärme von der Wärmekraftmaschine an das Reservoir mit niederer Temperatur (Wärmesenke) abgefuhrt. Die Differenz zwischen zugefuhrter und abgefuhrter Wärmemenge entspricht der gewonnenen mechanischen Arbeit.

Einer idealen Kraftwärmemaschine wird aus dem Reservoir mit niederer Temperatur Wärme zugefuhrt und diese mit Hilfe der zugefuhrten mechanischen Energie in das Reservoir mit hoher Temperatur „gepumpt“. Die an das Reservoir mit hoher Temperatur abgeführte Wärmemenge entspricht der Summe von zugefuhrter Wärmemenge und mechanischer Arbeit.

Als Kreisprozesse bezeichnet man in der Thermodynamik ein Folge von Zustandsänderungen eines Arbeitsmediums (Flüssigkeit, Dampf, Gas) -allgemein Fluid genannt- die periodisch ablaufen, wobei immer wieder der Ausgangszustand, gekennzeichnet durch die Zustandsgrößen wie Druck, Temperatur und Dichte etc. erreicht wird.

Kreisprozesse werden in Diagrammen (meist Druck - Volumen, Temperatur - Enthalpie) dargestellt, welche die Abfolgen der Zustandsänderungen des Fluids beschreiben.

Werden die Zustandsänderungen im Diagramm im Uhrzeigersinn durchlaufen, handelt es sich um einen Kreisprozess einer Wärmekraftmaschine (Rechtsprozess). Beim Durchlaufen gegen den Uhrzeigersinn dagegen um eine Kraftwärmemaschine (Linksprozess, z.B. Wärmepumpe, Kältemaschine).

Nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik kann nur ein Teil der Wärme in mechanische Arbeit gewandelt werden. Das maximale Verhältnis von abgegebener mechanischer Arbeit zu zugefuhrter Wärme wird thermodynamischer Wirkungsgrad genannt.

Der thermodynamische Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine kann aus den Temperaturen der Wärmereservoire berechnet werden.

Pth - 1 - Tl / Th Pth thermodynamischer Wirkungsgrad Tl Temperatur der Wärmesenke, K Th Temperatur der Wärmequelle, K

Der thermodynamische Wirkungsgrad einer Kraftwärmemaschine z.B. Wärmepumpe ist das maximale Verhältnis von abgegebener Wärme zu zugeiuhrter mechanischer Arbeit. Er wird COP (Coefficient Of Performance) genannt, und kann aus den Temperaturen der Wärmereservoire berechnet werden. COP = TH / (TH - TL) = 1 / Tith

Drei Kreisprozesse, die in beiden Richtungen durchlaufen werden können und auch den thermodynamischen Wirkungsgrad erreichen, sind bekannt. Es sind dies der Camot-, der Stirling- und der Ericsson-Kreisprozess.

Die Zustandsänderungen der drei Prozesse sind in der folgenden Tabelle dargestellt.

Allen drei Kreisprozessen gemeinsam sind die isothermen Zustandsänderungen. Für eine Wärmekraftmaschine sind die isothermen Zustandsänderungen A-B eine Verdichtung des Fluids mit einer Abfuhr der Verdichtungswärme vom Fluid in das Reservoir

mit der niederen Temperatur, um die Temperatur des Fluids während der Verdichtung konstant zu halten. Für eine Wärmekraftmaschine sind die isothermen Zustandsänderungen C - D eine Expansion des Fluids mit Zufuhr von Wärme aus dem Reservoir mit hoher Temperatur, um die Temperatur des Fluids während der Expansion konstant zu halten

Dies zeigt die Grenzen der Prozesse. Der für die isotherme Zustandsänderung notwendige Wärmestrom vom Reservoir zum Fluid oder umgekehrt erfordert sowohl ein Temperaturgefalle in Flussrichtung des Wärmestroms als auch Zeit. Mit realen Maschinen sind daher isotherme Zustandsänderungen nur annähernd erreichbar.

Bei Maschinen die nach dem Ackeret-Keller Kreisprozess arbeiten, werden die isothermen Zustandsänderungen durch mehrstufige isentrope und isobare Zustandsänderungen ersetzt. Der thermische Wirkungsgrad dieser Maschinen nähert sich dem thermodynamischem Wirkungsgrad des Ericsson-Kreisprozesses.

Im online-Lexikon unter „http://de.wikipedia.org/wiki/Ericsson-Kreisprozess“ wird in der Einleitung der Ericsson Kreisprozess dem Ackeret-Keller Prozess gleich gestellt. Erst in der weiteren Beschreibung wird ersichtlich, dass beim Ericsson Prozess die Verdichtung und Expansion des Fluids isotherm erfolgt, beim Ackeret-Keller jedoch die Verdichtung und Expansion in mehreren Stufen isentrop erfolgt, mit isobarer Rückkühlung bzw. Zwischenerwärmung vor und zwischen den einzelnen Stufen. Je höher die Anzahl der Stufen von Verdichter und Expander ist, desto mehr nähert sich die Zustandsänderung einer Isotherme, desto höher wird aber auch der bauliche Aufwand. J. Ackeret und C. Keller haben in Publikationen und praktischen Anlagen die mehrstufige Verdichtung des Fluids mit Zwischenkühlung und Expansion des Fluids mit Zwischenerhitzung bekannt gemacht z.B.: J. Ackeret; C. Keller: Eine aerodynamische Wärmekraftanlage, „Schweizer Bauzeitung“, Bd. 113 (1939), Nr. 19, S. 229-230.

Das Patent EP 0573516 / US 5 394 709, Lorentzen verwendet als Verdichter bzw. Expander mehrstufige Zahnradmaschinen. Nach jeder Stufe wird das Fluid zu einem Wärmetauscher ~ ~ * ausgeleitet, dort rückgekühlt bzw. wiedererwärmt, bevor es wieder der nächsten Stufe zugeführt wird. Auch hier ist der bauliche Aufwand für Wärmetauscher und Verrohung sehr hoch.

Das US-Patent 2,407,166; Kreitner et all beschreibt einen offenen Kreisprozess mit einem mehrstufigen Verdichter und Expander. Wie Fig. 6 des Patents zeigt, wird nach einer Teil Verdichtung die Luft ausgespeist, in einem Wärmetauscher rückgekühlt und daraufhin der nächsten Teil Verdichtung wieder zugeführt. Die Wärmezufuhr zum Expander erfolgt vor der ersten und zwischen den folgenden Expansionsstufen, indem in einer externen Brennkammer Treibstoff in den Fluidstrom eingebracht und dort verbrannt wird. Auch hier ist der bauliche Aufwand für die externen Wärmetauscher und Brennkammern sehr hoch.

Bei allen Veröffentlichungen sind zwei Bauprinzipien bekannt geworden. Beim ersten Bauprinzip arbeiten einzelne Verdichter- bzw. Expander-Maschinen in Serie zusammen, wobei zwischen dem Auslass einer Maschine und dem Einlass der folgenden Maschine ein Wärmetauscher zwischengeschaltet ist.

Beim zweiten Bauprinzip wird ein mehrstufiger Verdichter bzw. mehrstufiger Expander verwendet. Nach einer bestimmten Teil-Verdichtung/-Expansion wird das Fluid aus dem Verdichter/Expander-Gehäuse ausgeleitet, einem Wärmetauscher zugeführt und anschließend zur weiteren Teil-Verdichtung/Expansion in das Maschinengehäuse zurück geleitet.

Beide Bauarten erfordern einen hohen baulichen Aufwand, außerdem verringert sich der Wirkungsgrad der Anlage durch die hohen Leitungs- und Wärmeverluste.

TECHNISCHE AUFGABE UND MERKMALE DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine thermodynamische Maschine, die nach dem Ackeret-Keller Kreisprozess arbeitet, so zu gestalten, dass mit geringem baulichen Aufwand ein hoher thermischer Wirkungsgrad erreicht wird.

Die Merkmale der zur Lösung dieser Aufgabe geschaffenen Erfindung ergeben sich aus Anspruch 1. Als Verdichter wird ein mehrstufiger Radialverdichter und als Expander eine mehrstufige Radialturbine eingesetzt, die mit dem Generator/Motor eine bauliche Einheit bildet. Der prozesskonforme Wärmetransport zwischen dem Fluid und dem jeweiligen Wärmereservoir erfolgt mittels Wärmerohren.

Die Technik der mehrstufigen Radialverdichter und Radialturbinen ist hinlänglich bekannt. Beim Radialverdichter strömt das Fluid axial in das Verdichterrad ein, wird darin radial nach außen abgelenkt und unter Zuführung von mechanischer Arbeit beschleunigt. Im folgenden Diffusor erfolgt die Umsetzung der kinetischen Energie in Druckenergie. Daraufhin wird das Fluid umgelenkt und dann radial von außen nach innen der nächsten Verdichterstufe zugefuhrt.

Bei Radialturbinen durchströmt das Fluid jedes Turbinenrad in radialer Richtung von außen nach innen, das Ausströmen erfolgt in axialer Richtung. Der vor dem Turbinenrad-Eintritt angeordnete beschaufeite Leitring wandelt die Druckenergie in kinetische Energie und fuhrt das Fluid mit konstanter Geschwindigkeit dem Turbinenrad Außendurchmesser zu. Im Turbinenrad erfolgt die Umsetzung der kinetischen Energie des Fluids in mechanische Arbeit, die an die Welle abgegeben wird. Das Turbinenrad ist so ausgelegt, dass am axialen Radausgang die gesamte kinetische Energie umgesetzt ist. Der folgende Umlenkkanal leitet das Fluid radial von innen nach außen der nächsten Turbinenstufe zu.

Auch die Technik der Wärmerohre ist hinlänglich bekannt. Bei einem Wärmerohr handelt es sich um ein an beiden Enden geschlossenes Rohr, das teilweise mit einem Arbeitsmittel gefüllt ist, und in dem innen ein bestimmter Druck herrscht. Die Siedetemperatur des Arbeitsmittels bei gegebenem Druck ist der Betriebsbereich des Wärmerohrs. Je nach verwendeten Arbeitsmittel und Druck werden Wärmerohre mit einem Betriebsbereich von wenigen °K (Helium) bis zu 2200 °K (Silber) hergestellt.

Der einfachste Aufbau eines Wärmerohrs ergibt sich bei einer vorwiegend vertikalen Anwendung desselben, diese Ausführung wird 2-phasen-Thermosiphon genannt. Wird dem unteren Ende des 2-phasen-Thermosiphons Wärme aus einer entsprechenden Wärmequelle zugeführt, so verdampft ein Teil des Arbeitsmittels und steigt zentral im Inneren des Rohres nach oben. Ist das obere Ende des Wärmerohrs in Kontakt mit einer entsprechenden Wärmesenke, dann kondensiert der Dampf an der Innenseite des Rohres und gibt dabei seine Wärme ab, worauf dann das wieder flüssige Arbeitsmittel durch die Schwerkraft entlang der inneren Rohrwand nach unten fließt.

Bei Wärmerohren die vorwiegend horizontal eingesetzt werden, wird die innere Rohrwand zwischen Verdampfimgs- und Kondensationszone mit einem porösen Material versehen. Die Rückleitung des Arbeitsmittels erfolgt dabei durch die Kapillarkräfte im porösen Material. Diese Ausführung eines Wärmerohrs wird vorwiegend „heat pipe“ genannt. Wärmerohre können Wärmemengen transportieren, die bis zu einem Faktor von 10000 höher liegen als ein massiver Kupferzylinder gleichen Querschnitts. Entlang der Achse des Wärmerohres, herrscht annähernd gleiche Temperatur. Für die Verwendung eines Wärmerohrs zum Wärmetransport in einer thermodynamischen Maschine reichen der hohe Wärmetransport und der geringe Temperaturabfall entlang der Achse alleine noch nicht aus. Wichtig für einen hohen Wirkungsgrad ist auch, dass der Temperaturunterschied zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke möglichst gering ist.

Maßgebend für einen hohen Wärmetransport eines Wärmerohrs ist der Wärmeübergang zwischen der Rohroberfläche und dem Medium des Wärmereservoirs bzw. dem Fluid des Kreisprozesses.

Das Medium eines Wärmereservoirs kann flüssig oder gasförmig sein, auch kann der Wärmeaustausch mittels Wärmestrahlung erfolgen. Um einen effektiven Wärmeübergang zwischen dem Medium und eines Wärmerohrs zu erreichen, kann das Ende des Wärmerohrs zur Vergrößerung der Oberfläche mit Rippen versehen werden. Flüssige oder gasförmige Medien des Wärmereservoirs sollen die Wärmerohre turbulent umströmen.

Auch das Fluid des Kreisprozesses hat einen Einfluss auf den Wärmeübergang. Mit Wasserstoff oder Helium als Fluid erreicht man einen höheren Wärmeübergangskoeffizienten als mit Luft unter gleichen Bedingungen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung und Anordnung der Maschinenkomponenten einer Wärmekraftmaschine, die Diagramme des Kreisprozesses, die spezifische Arbeit und der thermische Wirkungsgrad sind in den Figuren Fig. 3 bis Fig. 11 dargelegt. Die Diagramme in Fig. 6 bis Fig. 11, sowie deren Beschreibung, sind die einer idealen Wärmekraftmaschine, also ohne Berücksichtigung von Reibungs- und Wärmeverlusten. Auch das Fluid wird als vollkommenes Gas mit konstanten Stoffwerten angenommen.

Auf die Darstellung einer Kraftwärmemaschine wird hier verzichtet. Ein Fachmann auf dem Gebiet der Thermodynamik erkennt auch ohne Erläuterungen die Abfolge der Zustandsänderungen für den Linksprozess.

AUFZÄHLUNG DER ZEICHNUNGSFIGUREN

Im Folgenden werden der Stand der Technik und eine besondere Ausführung der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefugten Zeichnungen näher erläutert.

Hierbei zeigt: FIG. 1 das Anlagenschema des Ericsson Kreisprozesses, FIG. 2 das Anlagenschema des Ackeret-Keller Kreisprozesses, FIG. 3 eine Wärmkraftmaschine mit erfindungsgemäßer Ausgestaltung, FIG. 4 den Querschnitt durch den Radialverdichter, FIG. 5 den Querschnitt durch die Radialturbine, FIG. 6 das p-v Diagramm des Ackeret-Keller Kreisprozesses, FIG. 7 das T-s Diagramm des Ackeret-Keller Kreisprozesses, FIG. 7 das T-s Diagramm mit den Wärmemengen, die zugefuhrt bzw. abgefiihrt werden, FIG. 9 das T-s Diagramm mit den Wärmemengen, die im Gegenstrom-Wärmetauscher ausgetauscht werden, FIG. 10 das spezifische Arbeit Diagramm FIG. II das Wirkungsgrad Diagramm.

FIGURENBESCHREIBUNG

In Fig. 1 bis Fig. 3 geben die örtlichen Angaben von Druck und Temperatur den Zustand des Fluids wieder. Die Strömungsrichtung des Fluids ist mit dünnen Pfeilen gekennzeichnet, die dicken Pfeile stellen die mechanischen Arbeiten und Wärmeströme dar. Die Buchstaben beziehen sich auf Eckpunkte in den Diagrammen in Fig. 6 und Fig. 7.

Anhand der Diagramme Fig. 6 bis Fig. 9 kann man erkennen, dass der Ackeret-Keller Kreisprozess mit einem geschlossenen, mehrstufigen Joule/Brayton Kreisprozess mit Regeneration gleichzusetzen ist. FIG. 1 zeigt das Anlagenschema einer Wärmekraftmaschine, die im geschlossenen Kreislauf nach dem 2. Ericsson Kreisprozess aus dem Jahre 1853 arbeitet. Der Verdichter 1 komprimiert das Fluid isotherm vom Druck pl auf pn und führt die zugeführte mechanische Arbeit wy in Form von Wärme qy an das Wärmereservoir mit der Temperatur Tl ab.

Anschließend durchläuft das Fluid isobar den Gegenstrom-Wärmetauschers 2 und wird dabei von der Temperatur TL auf Th erwärmt.

Im Expander 3 wird unter Zuführung der Wärme Ql aus dem Wärmereservoir mit der Temperatur Th das Fluid isotherm vom Druck Ph auf pl entspannt, wobei die mechanische Arbeit We abgegeben wird.

Das Fluid durchströmt dann isobar den Gegenstrom-Wärmetauscher 2, gibt die Wärme qR an den Gegenstrom ab und kühlt dabei von der Temperatur Th auf Tl ab.

Die Differenz der mechanischen Arbeiten we, Wv ergibt die gewandelte spezifische Arbeit w, die einen Generator 4 antreibt, der sie in elektrische Energie wandelt und diese an das Stromnetz 5 abgibt. FIG. 2 zeigt das Anlagenschema einer Wärmekraftmaschine, die im geschlossenen Kreislauf nach dem Ackeret-Keller Kreisprozess arbeitet. Beim Ackeret-Keller Kreisprozess erfolgt, im Gegensatz zum Ericsson Kreisprozess, die Verdichtung und Expansion isentrop in mehreren Stufen. Die Wärmezu und -abfuhr zu bzw. von den Wärmereservoiren erfolgt isobar mittels externer Wärmetauscher, die vor und zwischen den jeweiligen Stufen angeordnet sind.

Die Verdichtung des Fluids erfolgt unter Zuführung der mechanischen Arbeit wy isentrop vom Druck pl auf pn in den drei Verdichterstufen 6a, 6b und 6c. Die drei Wärmetauscher 7a, 7b und 7c kühlen das vom Gegenstrom-Wärmetauscher 8 kommende Fluid jeweils von der Temperatur Ty auf Tl ab und geben die Wärme qy an das Wärmereservoir mit der Temperatur Tl ab. Die abgeführte Wärme qy entspricht der den Verdichterstufen 6a, 6b und 6c zugeführten mechanischen Arbeit wy.

Nach dem Verdichten durchläuft das Fluid isobar den Gegenstrom-Wärmetauscher 8 und wird dabei von der Temperatur Ty auf Te erwärmt.

Die Expansion des Fluids vom Druck ph auf pl erfolgt isentrop in den drei Expander stufen 9a, 9b und 9c, wobei die mechanische Arbeit we abgegeben wird. Die drei Wärmetauscher 10a, 10b und 10c erwärmen das vom Gegenstrom-Wärmetauscher 8 kommende Fluid jeweils von der Temperatur Te auf Th unter Zuführung der Wärme qE aus dem Wärmereservoir mit der Temperatur Th. Die zugeführte Wärme qE entspricht der von den Expanderstufen 9a, 9b und 9c abgegebenen mechanischen Arbeit we.

Das Fluid durchläuft dann isobar den Gegenstrom-Wärmetauscher 8, gibt seine Wärme qR an den Gegenstrom ab und kühlt dabei von der Temperatur Te auf Ty ab.

Die Differenz der mechanischen Arbeiten we, wy ergibt die gewandelte spezifische Arbeit w, die einen Generator 11 antreibt, der sie in elektrische Energie wandelt und diese an das Stromnetz 12 abgibt. FIG. 3 zeigt den Längsschnitt durch eine Wärmekraftmaschine gemäß Anspruch 1 der Erfindung.

Die Wärmekraftmaschine ist hier in einer der vielen möglichen Ausgestaltungen stark vereinfacht dargestellt.

Der dreistufige Radialverdichter 13, der Generator 14 und die dreistufige Radialturbine 15 bilden eine Baueinheit, der Gegenstrom-Wärmetauscher 16 ist seitlich davon angeordnet.

Die Verdichterräder 17a, 17b, 17c, der Rotor 18 des Generators 14 und die Turbinenräder 19a, 19b, 19c sind mit der Welle 20 verbunden. Die Welle 20 ist in aerodynamischen Lagern 21,22, ausgelegt für hohe Drehzahlen, gelagert. Die Versorgung der aerodynamischen Lager 21,22 erfolgt aus dem Verdichter 13 mit dem Fluid mit dem Druck pH über die Leitung 23. Das von den Lagern 21, 22 abströmende Fluid wird dem Verdichter 13 über die Bohrung 24 wieder zugeführt.

Die stufenweise Verdichtung des Fluids erfolgt isentrop unter Zuführung der mechanischen Arbeit Wy vom Druck Pl auf pn im Verdichter 13 mittels der drei Verdichterräder 17a, 17b und 17c. Die Wärmerohre 25 kühlen das vom Gegenstrom-Wärmetauscher 16 kommende Fluid vor und zwischen jeder Verdichtung von der Temperatur Ty auf Tl ab und geben diese Wärme qv an das Wärmereservoir mit der Temperatur Tl -hier die Umgebung- ab. Die abgeführte Wärme qy entspricht der den Verdichterrädem 17a, 17b und 17c zugeführten mechanischen Arbeit wy. Der vom Radialventilator 26 erzeugte Luftstrom erhöht die Konvektion an der Oberfläche der Wärmerohre 25.

Nach dem Verdichten durchläuft das Fluid isobar den Gegenstrom-Wärmetauscher 16, nimmt die Wärme qR vom Gegenstrom auf und wird dabei von der Temperatur Ty auf Te erwärmt. Die Expansion des Fluids vom Druck pn auf pl erfolgt in der Radialturbine 15 isentrop mittels der drei Turbinenräder 17a, 17b und 17c, wobei sie die mechanische Arbeit we abgegeben. Die Wärmerohre 27 erwärmen das vom Gegenstrom-Wärmetauscher 16 kommende Fluid vor und zwischen jeder Expansion von der Temperatur Te auf Th unter Zuführung der Wärme qs aus dem Wärmereservoir mit der Temperatur Th- Das Wärmereservoir mit der Temperatur Th ist hier als Gasbrenner 28 dargestellt.

Die Radialturbine 15 und der Gegenstrom-Wärmetauscher 16 sind mit einer Isolierschicht 29 versehen, um die Wärmeabgabe an die Umgebung zu vermindern.

Die zugeführte Wärme qg entspricht der von den Turbinenrädem 17a, 17b und 17c abgegebenen mechanischen Arbeit we.

Das Fluid durchläuft dann isobar den Gegenstrom-Wärmetauscher 16, gibt die Wärme qR an den Gegenstrom ab und kühlt dabei von der Temperatur Te auf Ty ab.

Die Differenz der mechanischen Arbeiten we, wy ergibt die gewandelte spezifische Arbeit w, die den Rotor 18 des Generator 14 antreibt, der sie in elektrische Energie wandelt und diese an das Stromnetz 30 abgibt.

Die Leistung der Wärmekraftmaschine wird gemäß Anspruch 2 der Erfindung über die im Kreisprozess pro Zeiteinheit umlaufende Fluidmasse (Massenstrom) geregelt.

Dabei wird bei gleicher Drehzahl, bei gleichem Druckverhältnis Ph/Pl und gleichem Temperaturverhältnis Th/Tl für eine Leistungssteigerung die im Kreisprozess umlaufende Masse des Fluids erhöht oder umgekehrt ftir eine Leistungsminderung die umlaufende Masse des Fluids verringert.

Die Regelung der Leistung erfolgt mittels der Ventile 31,32 und dem Druckbehälter 33. Bei der maximalen Leistung sind beide Ventile 31,32 geschlossen und auf der dem Verdichter 13 zugewandten Seite der Ventile 31,32 stehen die Drücke pn bzw. pl an. Im Druckbehälter 33 herrscht der Druck Pl.

Um die Leistung zu senken, wird das Ventil 31 geöffnet und Fluid aus dem Kreislauf strömt in den Druckbehälter 33. Dabei sinken in gleichem Maße die Drücke pn und Pl sowie die Leistung. Der Druck im Druckbehälter 33 steigt mehr oder weniger stark an, abhängig vom Volumen des Druckbehälters 33. Ist die gewünschte Teilleistung erreicht, wird das Ventil 31 wieder geschlossen und die dem Kreisprozess entzogene Fluidmasse bleibt im Druckbehälter 33 gespeichert.

Die minimal erreichbare Teilleistung ist abhängig vom Volumen des Druckspeichers 33. Sie ist dann erreicht, wenn der sinkende Druck pn gleich dem steigenden Druck im Druckspeicher 33 wird.

Das Volumen des Druckbehälters 33 kann verkleinert und/oder der Regelbereich der Leistung vergrößert werden, wenn das Ventil 31 durch einen Verdichter ersetzt wird. Die dem Kreislauf entzogene Fluidmasse wird dann im Druckbehälter 33 mit einem höheren Druck gespeichert.

Soll die Leistung wieder gesteigert werden, wird das Ventil 32 geöffnet und das Fluid aus dem Druckbehälter 33 strömt zurück in den Kreisprozess. Der momentane Druck pL und mit ihm der Druck pn und die Leistung steigt, während der Druck im Druckbehälter 33 sinkt. Das Ventil 33 wird geschlossen, sobald die gewünschte Teilleistung erreicht ist. Wenn die maximale Leistung wieder erreicht wird, herrscht im Druckbehälter wiederum der Druck pl.

Die Regelung der Wärmezufuhr durch den Gasbrenner 28 erfolgt, gemäß Anspruch 3 der Erfindung, proportional dem Druck pL oder pH. FIG. 4 zeigt, vom Generator 14 aus gesehen, den Querschnitt durch den Radialverdichter 13 im Bereich des auf der Welle 20 befestigten Verdichterrades 17b. Die Wärmerohre 25 sind einreihig zirkular angeordnet. FIG. 5 zeigt, vom Generator 14 aus gesehen, den Querschnitt durch die Radialturbine 15 im Bereich des auf der Welle 20 befestigten Turbinenrades 19b. Die Wärmerohre 27 sind zweireihig zirkular angeordnet. Die Radialturbine 15 ist mit einer Isolierschicht 29 ummantelt, um Wärmeverluste an die Umgebung zu verringern. FIG. 6 zeigt das Druck-spezifisches Volumen Diagramm (p-v Diagramm) einer idealen Wärmekraftmaschine, die mit einem dreistufigen Verdichter (Radialverdichter) und einem dreistufigen Expander (Radialturbine) nach dem Ackeret-Keller Kreisprozess arbeitet. Mehrstufige Verdichter werden üblicherweise so ausgelegt, dass jede Stufe die gleiche Verdichtungsarbeit verrichtet. Dies erreicht man mit einer gleichen Druckerhöhung π je Stufe.

π Druckerhöhung je Stufe n Nummer der Stufe z Anzahl der Stufen pn-i, Pn Druck vor bzw. nach jeder Stufe N/m2

Pl, Ph Druck am Eingang bzw. Ausgang Verdichters N/m2 Für den Expander (Radialturbine) wird zweckmäßigerweise dieselbe Druckstufung gewählt. Die dreistufige Verdichtung erfolgt isentrop entlang der Hyperbeläste a-b, c-d und e-f. Vor und zwischen den Stufen erfolgt die Wärmeabfuhr isobar entlang der Horizontalen n-a, b-c und d-e.

Die dreistufige Expansion erfolgt isentrop entlang der Hyperbeläste h-i, j-k und 1-m. Vor und zwischen den Stufen erfolgt die Wärmeabfuhr isobar entlang der Horizontalen g-h, i-j und k-1. Der isobare Wärmetausch im Gegenstrom-Wärmetauscher erfolgt entlang der Horizontalen m-n und f-g.

Zum Vergleich ist auch das p-v Diagramm des Ericsson Kreisprozesses mit der isothermen Verdichtung A-B, der isothermen Expansion C-D und dem isobaren Wärmetausch von D-A nach B-C dargestellt. FIG. 7 zeigt das Temperatur-Entropie Diagramm (T-s Diagramm) einer idealen Wärmekraftmaschine, die mit einem dreistufigen Verdichter (Radialverdichter) und einem dreistufigen Expander (Radialturbine) nach dem Ackeret-Keller Kreisprozess arbeitet.

Die Wärmekraftmaschine arbeitet zwischen den Temperaturen Th und Tl der beiden Wärmereservoirs und dem Druckbereich pl und Ph-

Bei der isentropen Verdichtung a-b, c-d und e-f des Fluids steigt die Temperatur je Stufe um den Faktor f von Tl auf Ty. Bei der isentropen Expansion h-i, j-k und 1-m sinkt die Temperatur je Stufe um den Faktor 1/f von Th auf Tl.

k= Cp/Cy Isentropenexponent

cp spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck J/kg,K

cv spezifische Wärmekapazität bei konstantem Volumen J/kg,K k = 5/3 = 1,67 für einatomige Gase, wie He, Ar k ~ 7/5 ~ 1,40 für zweiatomige Gase, wie H2, N2 k ~ 9/7 ~ 1,29 für dreiatomige Gase, wie CO2, CH4

Der Faktor f > 1 wird mit steigender Stufenzahl z kleiner, bei unendlicher Stufenzahl wird

Damit wird:

Ty = Tl f Temperatur des Fluids nach einstufiger Verdichtung K

Te = Th / f Temperatur des Fluids nach einstufiger Expansion K

Nur wenn Te > Ty kann ein Wärmetausch im Gegenstrom-Wärmetauscher erfolgen.

Daraus folgt:

Die isobare Wärmeabfuhr n-a, b-c und d-e vom Fluid zum Wärmereservoir mit der Temperatur Tl erfolgt erfindungsgemäß mittels Wärmerohren, die im Verdichter vor und zwischen den Stufen angeordnet sind.

Die isobare Wärmezufuhr g-h, i-j und k-1 vom Wärmereservoir mit der Temperatur Th zum Fluid erfolgt erfindungsgemäß mittels Wärmerohren, die im Expander vor und zwischen den Stufen angeordnet sind.

Zum Vergleich ist auch das T-s Diagramm des Ericsson Kreisprozesses mit der isothermen Verdichtung A-B, der isothermen Expansion C-D und dem isobaren Wärmetausch von D-A nach B-C dargestellt.

Das T-s Diagramm in FIG. 8 zeigt die Wärmemenge qg die vor und zwischen den Stufen des Expanders aus dem Wärmereservoir mit der Temperatur Th dem Fluid zugefuhrt wird.

J/kg

Weiters zeigt das T,s Diagramm die Wärmemenge qv die vor und zwischen den Stufen des Verdichters vom Fluid an das Wärmereservoir mit der Temperatur Tl abgegeben wird.

J/kg

Die abgefuhrte Wärme qv entspricht dem Betrag nach der zugefuhrten spezifischen äußeren Arbeit Wy des Verdichters und die zugefuhrte Wärme qE der abgefuhrten spezifischen äußeren Arbeit des Expanders we-

Das T-s Diagramm in FIG. 9 zeigt die Wärmemengen, die zwischen den beiden isobaren Zustandsänderungen pl und pn des Kreisprozesses, mittels eines Gegenstrom-Wärmetauschers ausgetauscht werden. Dabei wird die Wärme qR des Fluids nach der Expansion dem Fluid nach der Verdichtung zufuhrt.

J/kg

Die Fläche innerhalb der stark ausgezogenen Zustandsänderungen im T-s Diagramm entspricht der abgegebenen spezifischen Arbeit w des Kreisprozesses.

Fig. 10 zeigt die spezifische Arbeit w, gültig für ein zweiatomiges Fluid (z.B. N2) mit k = 7/5, einer konstanten spezifischen Wärmekapazität cp = 1000 J/kg,K und einer unteren Temperatur Tl = 300 K. Die spezifische Arbeit w ist über dem Druckverhältnis Ph/Pl für die Temperaturverhältnisse Th/Tl 2, 3,4, und 5, sowie für die Verdichter/Expander Stufenzahlen z 2, 3 und 4 dargestellt.

Die Leistung des Kreisprozesses ist das Produkt aus dem umlaufenden Massestrom m des Fluids und der spezifischen Arbeit w. P = m w m Massestrom des Fluids kg/s w spezifische Arbeit J/kg

P Leistung J/s, W

Fig. 11 zeigt den Wirkungsgrad pth, gültig für ein zweiatomiges Fluid (z.B. N2) mit k = 7/5. Der thermische Wirkungsgrad ηο, ist über dem Druckverhältnis Ph/Pl für die Temperaturverhältnisse Tr/Tl 2, 3,4, und 5, sowie für die Verdichter/Expander Stufenzahlen z 2,3 und 4 dargestellt.

Die Wirkungsgrade 1¼ bei Ph/Pl~1 sind gleich dem Camot-Wirkungsgrad, allerdings ist dann die spezifische Arbeit w=0.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE

   1. Thermodynamische Maschine die zwischen zwei Wärmereservoiren unterschiedlicher Temperatur nach dem Ackeret-Keller Kreisprozess als Wärmekraft- oder als KraftwärmeMaschine arbeitet, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter als mehrstufiger Radialverdichter (13) und der Expander als mehrstufige Radialturbine (15) ausgebildet ist und dass der prozesskonforme Wärmeaustausch mittels, als „heat pipe“ oder als 2-phasen Thermosiphon ausgefiihrten, Wärmerohren (25, 27) erfolgt, die mit dem einen Ende in dem Radialverdichter (13) bzw. in der Radialturbine (15) mit dem Fluid in Kontakt stehen und mit dem anderen, aus dem Radialverdichter (13) bzw. der Radialturbine (15) herausragenden, Ende mit dem jeweiligen Wärmereservoir in Kontakt stehen.
2. 2. Thermodynamische Maschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Leistung bei annähernd gleichbleibender Drehzahl, gleichbleibendem Druck-und Temperaturverhältnis durch Erhöhen bzw. Verringern der im Kreisprozess pro Zeiteinheit umlaufende Fluidmasse (Massenstrom) erfolgt.
3. 3. Thermodynamische Maschine nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Wärmezufuhr zur Maschine proportional einer Druckänderung im Kreisprozess folgt.