Warmtemachines presteren het de warmte-inhoud van een uerksubstantie gedeeltelijk in kinetische energie om te zetten. Se-
dert 1824, het jaar waarin Sadi Carnot zijn 'Réflexions sur la puissance motrice du Feu' publiceerde, wordt algemeen aangeno-
men, of heeft het als een onomstotelijk wetenschappelijk dogma gegolden, dat warmtemachines slechts vermogen te werken tussen
twee BESTAANDE temperatuurnivo's. Warmte, in de geest van Carnot nog een eterisch soort vloeistof, stroomde, zoals water
onder invloed van gravitationele potentiaalverschillen, alleen
van een hooer temperatuurnivo naar een lager; tijdens die val
was ze in staat arbeicsvermogen af te staan. Ofschoon opererend
vanop een wankele basis, bleek Carnot toch de eeuwig juiste teoretische zet te hebben gerealizeerd! Alle warmtemachines,
werkend tussen dezelfde temperaturen, bezaten een precies gelijk maksimaal rendement. Anders zou een perpetuum mobile van de tweede soort kunnen worden gekonstrueerd, of een schip, aldus Char-
les Fabry, dat, zijn energie ontlenend aan zeewater, bij wijze
van spreken ijs in zi jn zog zou achterlaten.
Ettelijke uitvinders hebben in de loop der tijden werktuigen voorgesteld waarmee ze het Carnot-rendement claimden te kunnen overtreffen, of waarmee ze inbreuk wilden maken op de tweede termodinamische wet. De fizikus had er gewoonlijk weinig moei-
te mse de vinger op de voor het werkstuk fatale vergissing te
leggen! Uiteindelijk triomfeerden telkens Carnot, Kelvin, Clau-
sius, Fabry...
<EMI ID=1.1>
moed te beweren ten langen leste toch een installatie te heb-
<EMI ID=2.1>
verrichten dan de oceanen afkoelen, zich dientengevolge voortbewegen, en door wrijvingsverliezen het water zijn warmte weder-
<EMI ID=3.1>
volg kortweg infraktrice genaamd, kan het aan, de verstrooide,
de 'gebonden' warmte uit aardmantel, atmosfeer en oceanen te
putten, en die voor mechanische en elektrische arbeid dienstig
te maken.
Nochtans laat de infraktrice Carnot's formule formeel onaan-
<EMI ID=4.1>
<EMI ID=5.1>
het eerst op de juiste uijze uerd geinterpreteerd. Energie heette tot nu toe, alhoeuel onvernietigbaar, niettemin degradeerbaar te uezen, zodat een steeds aanzwellende massa energie voor praktische en nuttige doeleinden onbruikbaar uerd. De infraktrice bewijst dat energie immer 'arbeidsvermogen' blijft, in uelke vorm ze ook voor moga komen. ( Dat valt ook door middel van een 'Gedankenexperiment' teoretisch aan te tonen : de gedissipeerde atmosferische uarmte uordt in het ijle heelal uitgestraald; met behulp van een immense parabolische spiegel zou ze ueer in een brandpunt op aarde kunnen uorden teruggekaatst, daar een ultrahoge temperatuur verwekken. en dus ook volgens klassieke begrippen ueer bruikbaar uorden. ) Arbeidsvermogen vermag in genen dele definitief tot entropische afvalwarmte te veruorden!
De formule van Carnot blijkt bij nadere analieze in feite niet meer dan een redelijke evidentie, een louter verstandelijk afleidbaar principe, geenszins minder elementair dan het sillogisme van de klassieke Aristoteliaanse logika. Bezit immers een uerksubstantie een warmte-inhoud Q en uordt daarvan in
een warmtemachine een deel Q als arbeid afgevoerd, dan blijft
<EMI ID=6.1>
<EMI ID=7.1>
<EMI ID=8.1>
<EMI ID=9.1>
vermogen, gezet op de oorspronkelijk voorhanden kalorische energie, behelst vanzelfsprekend het rendement - in de zin van absoluut rendement - van de machine.
<EMI ID=10.1>
Het feit dat de warmte-inhoud van een ideaal gas direkt evenredin is met de absolute temperatuur transformeert ce formule in de be-
kende vorm
<EMI ID=11.1>
<EMI ID=12.1>
interpretatie , echter iets verraderlijks. Wordt haar afkomst uit het oog verloren, dan schijnt haar boodschap te luiden dat
<EMI ID=13.1>
dreven, wanneer een degelijk rendement wordt aagestreefd. Eigenlijk kan uit de originele formule met gelijk recht worden gede-
<EMI ID=14.1>
zo diep moet uorden gelegd als haalbaar is. Anderhalve eeuw
lang uerd nu aanvaard dat T buiten 's mensen invloed was gelegen, doordat hij in het gun�tigste geval gelijk aan de omgevingstemperatuur moest worden gesteld. Het afoewerkte gas, veelal stoom, uerd dus met uater op omgevingstemperatuur gekoeld, met de bedoeling de einddruk zo laag mogelijk te dwingen.
De finale temperatuur T in Carnot's formule mag echter in geen geval met de omgevingstemperatuur worden geïdentificeerd,
<EMI ID=15.1>
nadat het arbeid heeft geleverd, d.w,z. energie-inhoud aan een. anaer, zodoende geakselereerd, sisteem heeft afoestaan.
ïn de praktijk volstaat het bijgevolg begin- en eindtemperatuur van een gasstelsel zodanig te determineren, dat zijn eind-
<EMI ID=16.1>
tor' ( turbine, plunjer, roterende jet... ) onder de omgevingstemperatuur komt te liggen, om precies van de omgevingswarmte
<EMI ID=17.1>
temperatuur voor te verwarmen.
<EMI ID=18.1>
Bekijken ue echter vooreerst een klassieke centrale. Ook die
<EMI ID=19.1>
zelfs in verband met de rendementsberekening daarvan oient vooraf orde op zaken te uorden gesteld.
Draait een centrale op hoge-druk-stoom van bv. 900 K en be-
<EMI ID=20.1>
klassieke redenering, haar rendement ideaal, dus maksimum, tot
<EMI ID=21.1>
<EMI ID=22.1>
Water uordt in een centrale in werkelijkheic opgewarmd vertrekkende van ongeveer omgevingstemperatuur, en bijgevolg moet
ce kuantiteit verkregen mechanische ( resp. elektrische ) energie vergeleken uorden met de hoeveelheid aan het uater TOEGEVOEGDE chemische of nukleaire ... hitte! Op die uijze uordt het relatieve rencement bepaald : important is dan de temperatuur aan
<EMI ID=23.1>
<EMI ID=24.1>
<EMI ID=25.1>
In deze gelijkheid staat de in arbeid getransformeerde uarmte
<EMI ID=26.1>
<EMI ID=27.1>
<EMI ID=28.1>
dement vertelt : zoveel kalorieën ingestoken, zoveel uitgehaald. Het absolute daarentegen : zoveel totaal voorhanden, zoveel uitgehaal d.
<EMI ID=29.1>
500 K, dan is bij een begintemperatuur van 900 K :
<EMI ID=30.1>
maar het absolute rendement bedraagt niat meer dan :
<EMI ID=31.1>
<EMI ID=32.1>
gedeelde uarmte in arbeid wordt omgezet, raakt 33,4% via koeluater en koeltorens in de omgeving gedissipeerd en verloren.
<EMI ID=33.1> .gaan. De restwarmte kan net zo goed worden gerecikleerd.
Koelwater kan met de stroomrichting van de stoom mee in de verlengde uitlaat van de turbine gesproeid en verstoven, zodanig dat de stoom wordt opgelost, afgekoeld en gekondenseerd tot
bv. 50 [deg.]C ( juist onder kooktemperatuur bij de daar heersende onderdruk ).
<EMI ID=34.1>
<EMI ID=35.1>
<EMI ID=36.1>
<EMI ID=37.1>
koud, terug' naar de koeluaterpompen stroomt. De kondensors en motoren van de warmtepompen worden gekoeld met het gedeelte eindwater dat voor nieuwe stoomvorming was bestemd ( voorverwarming ). INTERN UARMTETRANSPORT neemt dus de plaats in van koeling aan
de koudebron, de omgeving, de eksterne wereld. Op die manier . gaat geen uarmte verloren.
Al uare het rendement per ciklus beschouwd al minder dan gebruikelijk, daar werkstof en koelmiddel steeds worden qerecikleerd, benadert het totale rendement tenslotte 100%.
<EMI ID=38.1>
dan-moet ( nog steeds met betrekking tot bovenstaand voorbeeld ) 'slechts zowat 15% van de opgewekte elektriciteit ter aandrijving
<EMI ID=39.1>
<EMI ID=40.1>
pas ten' volle haar naam, wanneer geheel' ( of ten minste zo goed als geheel ) van verhitting boven de omgevingstemperatuur wordt
<EMI ID=41.1>
<EMI ID=42.1>
omgeving als warmtebron wordt aangewend ( geen koudebron vandoen )! <EMI ID=43.1>
druk uordt over een kinetische receptor geleid, zodat die uarmteinhoud kwijtraakt. De druk uordt zodanig bepaald dat de eindtsmperatuur.van het a�gewerkte uitlaatgas zo dicht mogelijk bij de kondensatietemperatuur komt te liggen. Verscheidene metoden staan ter beschikking om de uerksubstantie ter opneming in de arbeidsciklus wederom te appreteren.
I. Het laaggradige gas uordt ( zoals boven de stoom ) met vloei-
bare koudere werksubstantie besproeid en nacien verdeeld over heaters ( warmtewisselaars aan omgeving blootgesteld ) en eindvloeistofverzamelvaten ( waarin warmtepompen ).
2. Het laaggradige gas uordt door middel van een kompressor afge-
<EMI ID=44.1>
<EMI ID=45.1>
tepomp (en) kan daartoe noodzakelijk zijn ( warmtetransport intern naar koude vloeistof juist achter pomp ).
<EMI ID=46.1>
I. Bij diskontinue of batchgeuijze operatie is
de warmtewisselaar in principe een hoge-druktoren-vat waarop een zware vlotter drijft
( die nauwkeurig afsluit tegen de wanden ).
De naar beneden toe verlengde zijkanten van de vlotter zorgen door het erop aangebrachte labirint voor afdichting en het kreëren van de oorspronkelijke koude-vloeistof-ruimte.
Naarmate de vlotter stijgt ( doordat vloeistof in gas raakt omgezet ) kan nieuwe vloei-
<EMI ID=47.1>
<EMI ID=48.1>
benut.
Is de inhoud van de toren eenmaal op omgevingstemperatuur, dan wordt de uitlaatklep naar de kinetische recep.tor geopend. Het op temperatuur en druk gekomen gas levert.arbeid, koelt dientengevolge af en is klaar voor likuefaktie.
<EMI ID=49.1>
uitgerokken tubulair sisteem gepompt, dat aan de omgeving
<EMI ID=50.1>
gelijk waar ter wereld.
De beschreven procedures en installaties bewerken dat Carnot's en andere arbeidscikli tot beneden de omgevingstemperatuur wor-
<EMI ID=51.1>
<EMI ID=52.1>
recikleren.
.In Carnot's formule ligt het feit uitgedrukt dat de hoeveelheid arbeid die geleverd werd gelijk is aan de hoeveelheid warmte die verdween. Het absolute rendement bedraagt dan ook :
Het is een misopvatting dat natuurlijk voorhanden koelmiddel onontbeerlijk zou zijn ( zodat men van de dmgevingstemperatuur
<EMI ID=53.1>
een receptor over te dragen.
Onmisbaar voor een warmtemachine blijkt primair een gepaste aanvangsdruk en een lage-druk-nivo aan de uitlaat van de ekspansiemotor!
De drukdifferentie is essentieel! Het temperatuurverschil wordt geschapen!
Een gas op uiterst hoge temperatuur, maar op omoevingsdruk
is niet in staat arbeid te leveren. Het verwarmt slechts zijn omgeving. Een gas, ook al is het op omgevingstemperatuur, vermag arbeid te leveren ( zooat het afkoelt ), als het zich onder overdruk bevindt!
De temperatuurdaling van een arbeidend gas wordt veroorzaakt :
I. in mindere mate door de versnelling van het gas ( omzetti ng
van uarmte in stromings- of kinetische energie );
2. door rekuperatie van bindingsenergie die bij samendrukking
was afgegeven ( omzetting van warmte in potentiële energie
op molekulair nivo );
3. door omzetting van uarmte in arbeid ( in eerste instantie
overgedragen op een kinetische receptnr ).
Zaak is het bijgevolg de omstandigheden zodanig uit te kienen cat de werksubstantie door adiabatische arbeidleverende ekspansie zo naast mogelijk bij haar kondensatiepunt komt te liggen. Het warme opgedrukte gas moet dus eigenlijk een likue-
<EMI ID=54.1>
daling sterk dominerend coor levering van arbeid wordt bewerkt. De resternde warmte wordt ofwel afgevoerd naar de koudebron
( omgeving ) ofuel intern getransporteerd naar de koude vloeistof; juist na de uitlaat van de koude-vloeistof-pomp ( die
<EMI ID=55.1>
ekspansiemachine voert ),
De installatie voor omzetting van omgevingswarmte in bruikbare energie valt dus prindipieel als volgt te schetsen :
<EMI ID=56.1>
Oereenkomstig ziet de traditionele centrale eruit als volgt :
<EMI ID=57.1>
De tweede hoofdwet kan in het licht van dit beeld een verhelderende reformulering uorden verstrekt.
Hoe dan ook kan geen kinetische receptor uorden ontworpen of gebouud, in staat onder enigerlei omstandigheden van een uerkmedium zo efficiënt of in die mate uarmte af te nemen dat het voldoende dicht bij het kondensatiepunt komt te liggen, opdat voor
<EMI ID=58.1>
uorden aangewend.
<EMI ID=59.1>
uorden ontworpen, die meer energie afgeeft dan ze verbruikt, zonder dat een deel van de kalorische energie naar de omgeving uordt afgevoerd.
Deze uitspraken zijn duidelijk onjuist, uant met behulp van uarmtepompen kan met gering energieverbruik voldoende uarmte intern uorden getransporteerd om kondensatie van een uerkmedium te bekomen.
De infraktrice is in verschillende vormen bestaanbaar. Een ervan, geschikt als kleinschalige motor, vertoont p rincipieel
<EMI ID=60.1>
In deze installatie ( zuigertiepe ) uordt de grote zuiger ueg en ueer beuogen door afwisselend langs links en rechts
<EMI ID=61.1>
gas komt in een reservoir terecht dat door een warmtepomp bijkomend wordt gekoeld. De kondensor van de warmtepomp dient
<EMI ID=62.1>
De koude vloeistof uordt uit het koude reservoir weggepompt door een kleine zuiger, die de vloeistof via warmtewisselaars, liggend aan de omgeving, in het hoge-druk-reservoir transporteert.
Vanuit het hoge-druk-reservoir en via de oververhitter ontspant het gas weer over de grote cilinder naar het lage-drukreservoir. De ciklus is kompleet.
<EMI ID=63.1>
een gasturbine en een centrifugaalpomp e.d. worden vervangen.
In een andere uitvoering uordt de ingang van een kompressor aan de uitgang van een turbine gekoppeld ( op tekening mechanisch; in werkelijkheid kan dat natuurlijk ook elektrisch gebeuren ).
De turbine kan vervancen worden door een zuiger-ekspansie- machine ( cfr. likwefaktie van gassen ).
De kompres�or zorgt voor een goede onderdruk aan de uitgang
van de turbine. Het samengedrukte gas kondenseert in het koudevloeistof-vat. Het uitlaatgas van de turbine kan eventueel al vooraf worden gekoeld door de chiller van een warmtepomp.
Met een gaspomp wordt uit het kouce-vloeistof-vat gas afgezo gen en in kontakt gebracht met de koude vloeistof, die door de
<EMI ID=64.1>
de turbine toe wordt gedrukt. Warmte wordt aldus intern getransporteerd. De gaspomp werkt als warmtepomp.
<EMI ID=65.1>
ENERGIE
bestaat essentieel uit :
1. GENERATOR gekoppeld aan ekspansiemotor ( turbine, cilinder
met zuiger... )
<EMI ID=66.1>
3.(fac.) KOMPRESSOR: tussen door warmtetransport ( warmtepomp )
gekoelde uitlaat van de ekspansiemotor en het koude-vloeistofvat; verlaagt de druk aan de uitlaat van de ekspansiemotor
en verhoogt die in het koude-vloeistof-vat, zodat kondensatie
<EMI ID=67.1>
<EMI ID=68.1>
pomo,
5. HOOFDPOMP ( koude-vloeistof-pomp ) : tussen uitlaatvalve
van koude-vloeistof-vat en warmtewisselaar met omgeving,
<EMI ID=69.1>
van ekspansiemotor,
<EMI ID=70.1>
ze ter kondensatie in kontakt met koude vloeistof juist na de hoofdpomp en voert ze terug naar het koude-vloeistofvat;
zorgt dus voor ekstra koeling ),
<EMI ID=71.1>
takt met hv. turbine-uitlaat, kondensor in kontakt met koude vloeistof na hoofdpomp.
Turbine en rotatiepompen kunnen eventueel gesubstitueerd worden doo r ekuivalente apparatuur van het zuinertiepe.
<EMI ID=72.1>
selaar met branders, kernreaktor enz.
3 en 7 zijn fakultatief, d.w.z. des evallend redundant bij
<EMI ID=73.1>