DE102004047896A1 - Methods and devices for using thermal energy and their applications - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine neue Gattung von Verfahren und Vorrichtungen zur Nutzung von Wärmeenergie unter Verwendung eines rechtslaufenden dynamischen Kreisprozesses sowie deren Anwendungen. Bei einem dynamischen Kreisprozess ist die Geschwindigkeit des Arbeitsmediums eine Zustandsvariable. Die Vorrichtung gewinnt ihre Nutzarbeit in einem adiabat-isobaren Arbeitsprozess mittels einer Gleichdruckturbine und kann ohne Kühler ausgeführt werden. Damit kann die in Luft oder Wasser gespeicherte Solarenergie bei Umgebungstemperatur technisch genutzt werden. Anwendungen der Vorrichtung sind der Transport von Personen und Gütern, der Transport von Flüssigkeiten oder Gasen, die Änderung des Drucks von Fluiden, die Erzeugung von elektrischem Strom, die Entsalzung von Meerwasser, die Erzeugung von Wasserstoff, das Kühlen von festen, flüssigen oder gasförmigen Medien, die Verflüssigung von Gasen oder Dämpfen und die Erzeugung von Heizwärme, wobei eine Vorrichtung auch mehrere Anwendungen gleichzeitig oder nacheinander ausführen kann.The invention relates to a new type of methods and apparatus for the use of thermal energy using a clockwise-rotating dynamic cycle and their applications. In a dynamic cycle, the velocity of the working medium is a state variable. The device gains its useful work in an adiabatic-isobaric working process by means of a constant-pressure turbine and can be carried out without a cooler. Thus, the stored in air or water solar energy at ambient temperature can be used technically. Applications of the device are the transportation of persons and goods, the transport of liquids or gases, the change of the pressure of fluids, the generation of electric current, the desalination of seawater, the generation of hydrogen, the cooling of solid, liquid or gaseous media , the liquefaction of gases or vapors and the generation of thermal heat, wherein a device can also run multiple applications simultaneously or sequentially.
Description
Die Erfindung betrifft eine neue Gattung von Verfahren und Vorrichtungen zur Nutzung von Wärmeenergie mit Hilfe eines rechtslaufenden Kreisprozesses sowie deren Anwendungen.The The invention relates to a new class of methods and devices for the use of heat energy with the aid of a clockwise cycle and their applications.
Bekannte Verfahren zur Nutzung von Wärmeenergie unter Verwendung eines rechtslaufenden Kreisprozesses arbeiten nach dem Carnot-Prinzip oder einem seiner Derivate, wobei der Druck eines fluiden Arbeitsmediums bei geringer Temperatur unter Verbrauch von Nutzarbeit gesteigert wird, und dann nach Wärmeübertragung bei hoher Temperatur unter Abgabe von Nutzarbeit verringert wird, wobei die abgegebene Nutzarbeit größer ist als die verbrauchte und ihre Differenz an einen externen Verbraucher gegeben werden kann. Zum Abschluss wird die Temperatur des Arbeitsmediums durch Kühlen auf die Ausgangstemperatur gesenkt, wobei die entzogene Wärmeenergie als Abwärme verloren geht.Known Method of using thermal energy using a clockwise clockwise process the Carnot principle or one of its derivatives, the pressure of a fluid Working medium at low temperature while consuming useful work is increased, and then after heat transfer is reduced at high temperature with release of useful work, wherein the delivered useful work is greater than the used and give their difference to an external consumer can. Finally, the temperature of the working medium is through Cool up lowered the outlet temperature, with the extracted heat energy as waste heat get lost.
Solche Verfahren sind heute die wichtigste Grundlage der Energietechnik zur Erzeugung von Nutzarbeit. Sie wurden als idealisierte Gaskreisprozesse (Otto, Diesel, Stirling, Joule, Ericsson, Ackeret-Keller, Seiliger) oder Dampfkreisprozesse (Clausius-Rankine) beschrieben und als reale Prozesse unter Verwendung von Kolbenmaschinen oder Strömungsmaschinen realisiert. (Baehr: „Thermodynamik", Springer Verlag 1996, 9. Auflage, Seiten 344 ff. oder Cerbe/Hofmann: „Einführung in die Thermodynamik", Hanser Verlag 1996, 11. Auflage, Kapitel 4 und 5).Such Procedures are today the most important basis of energy technology for the production of useful work. They were considered idealized gas cycle processes (Otto, Diesel, Stirling, Joule, Ericsson, Ackeret-Keller, Seiliger) or steam cycle processes (Clausius-Rankine) described and as real processes under Use of piston machines or turbomachines realized. (Baehr: "Thermodynamics", Springer Verlag 1996, 9th edition, pages 344 ff. Or Cerbe / Hofmann: "Introduction to Thermodynamics ", Hanser Verlag 1996, 11th edition, chapters 4 and 5).
Der Nachteil der bekannten Verfahren ist, dass das Arbeitsmedium im letzten Schritt des Kreisprozesses stets durch Wärmeentzug gekühlt werden muss um die Ausgangstemperatur wieder zu erhalten. Wärme ist aber diejenige Energieform, die aufgrund einer Temperaturdifferenz nur von „heiß" nach „kalt" fließt. Daraus folgt, dass man mit einer herkömmlichen Wärmekraftmaschine die Wärmeenergie mit Umgebungstemperatur nicht in Nutzarbeit wandeln kann, denn die Umgebung kann nicht gleichzeitig Wärmequelle und Wärmesenke einer Wärmekraftmaschine sein. Diese Erfahrung wurde im 2. Hauptsatz der Thermodynamik formuliert, wonach es unmöglich ist, mit einer Wärmekraftmaschine nach dem Carnot-Prinzip Nutzarbeit aus der Umgebungswärme zu gewinnen. Eine solche Wärmekraftmaschine wäre ein Perpetuum Mobile der 2. Art (Stöcker: „Taschenbuch der Physik", Verlag Harri Deutsch 1998, Seite 643).Of the Disadvantage of the known method is that the working medium in the The last step of the cyclic process must always be cooled by heat extraction to get the starting temperature again. But heat is the form of energy which only flows from "hot" to "cold" due to a temperature difference. It follows that one with a conventional one Heat engine the heat energy with ambient temperature can not turn into useful work, because the Environment can not simultaneously heat source and heat sink a heat engine be. This experience was formulated in the 2nd law of thermodynamics, which makes it impossible is, with a heat engine to gain useful work from the ambient heat according to the Carnot principle. Such a heat engine would be a Perpetuum Mobile of the 2nd kind (Stöcker: "Paperback of physics ", publisher Harri German 1998, page 643).
Aufgabe der Erfindung ist es eine neue Gattung von Verfahren und Vorrichtungen zu schaffen, bei denen das Arbeitsmedium im letzten Schritt des Kreisprozesses nicht durch Wärmeübertragung gekühlt werden muss, um so die Einschränkung der bekannten Wärmekraftmaschinen aus dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik zu überwinden. Die Erfindung betrifft auch Anwendungen dieser Verfahren und Vorrichtungen.task In the invention, it is a new class of methods and devices to create, where the working medium in the last step of the cycle not by heat transfer chilled so must be the limitation the known heat engines to overcome from the 2nd law of thermodynamics. The invention relates also applications of these methods and devices.
Die Erfindung wird in 6 Abschnitten mit Bezug auf 3 Figuren beschrieben. Die verwendeten Formelzeichen sind am Ende aufgelistet.The The invention will be described in 6 sections with reference to 3 figures. The formula symbols used are listed at the end.
Abschnitt 1: GRUNDLAGENSection 1: BASICS
Die für die Erfindung wesentlichen theoretischen Grundlagen können in jedem Standardwerk zur Thermodynamik nachgelesen werden. Hier wurden die Werke von Baehr und Cerbe/Hofmann verwendet (Baehr: „Thermodynamik", Springer Verlag 1996, 9. Auflage, und Cerbe/Hofmann: „Einführung in die Thermodynamik", Hanser Verlag 1996, 11. Auflage).The for the Invention essential theoretical foundations can be found in every standard work on thermodynamics can be found. Here were the works of Baehr and Cerbe / Hofmann used (Baehr: "Thermodynamics", Springer Verlag 1996, 9th edition, and Cerbe / Hofmann: "Introduction to Thermodynamics", Hanser Verlag 1996, 11th edition).
Ein Kreisprozess ist eine zyklische Abfolge von n verschiedenen thermischen Zuständen Zi (i = 1..n) eines Systems mit einem fluiden Arbeitsmedium. Er enthält n einzelne offene Teilprozesse Pi (i = 1..n), wobei jeder Teilprozess Pi das Arbeitsmedium von einem Zustand Zi in den Folgezustand Zi+1 bringt (Pi = Zi → Zi+1), und der letzte Teilprozess Pn das Arbeitsmedium in seinen thermischen Ausgangszustand Z1 zurückführt.A cyclic process is a cyclic sequence of n different thermal states Z i (i = 1..n) of a system with a fluid working fluid. It contains n individual open subprocesses P i (i = 1..n), each subprocess P i bringing the working medium from a state Z i into the subsequent state Z i + 1 (P i = Z i → Z i + 1 ), and the last sub-process P n returns the working medium to its initial thermal state Z 1 .
Im folgenden werden die einzelnen Zustände Zi (i = 1..n) als die „Eckpunkte" eines Kreisprozesses bezeichnet, und die einzelnen Teilprozesse Pi (i = 1..n) als seine „Kanten". Im Zustandsraum des Arbeitsmediums bilden alle Kanten gemeinsam einen geschlossenen Linienzug mit n Eckpunkten. Dieser Linienzug wird als „Rand" des Kreisprozesses bezeichnet, und die vom Rand eingeschlossene Fläche als die „Fläche" des Kreisprozesses.In the following, the individual states Z i (i = 1..n) are referred to as the "vertices" of a circular process, and the individual subprocesses P i (i = 1..n) as its "edges". In the state space of the working medium all edges together form a closed polyline with n vertices. This polyline is called the "edge" of the cycle, and the surface enclosed by the edge is called the "surface" of the cycle.
Die thermischen Zustände des Arbeitsmediums in einem Kreisprozess werden durch Zustandsgrößen beschrieben. Für homogene thermodynamische Systeme mit einer fluiden Phase gilt aus Erfahrung, dass zwei unabhängige intensive Zustandsgrößen und eine extensive Zustandsgröße ausreichen um den Systemzustand eindeutig zu beschreiben. Die Zustandsgleichungen solcher Systeme sind daher allgemein von der Form z = f(x, y) mit zwei unabhängigen und einer abhängigen Variablen, wobei hier für die Zustandsvariablen x, y und z erfahrungsgemäss die physikalischen Größen Druck p, Temperatur T und Volumen V verwendet werden. Andere Zustandsgleichungen lassen sich unter Verwendung von Entropie S, Enthalpie H und innerer Energie U ableiten.The thermal states of the working medium in a cycle are described by state variables. For homogeneous thermodynamic systems with a fluid phase, experience has shown that two independent intensive state variables and an extensive state quantity are sufficient to unambiguously describe the system state. The equations of state of such systems are therefore generally of the form z = f (x, y) with two independent and one dependent variable, where the physical variables pressure p, temperature T and volume V are used for the state variables x, y and z , Other equations of state can be used of entropy S, enthalpy H, and internal energy U.
Ein Teilprozess Pi verändert den Zustand Zi des Arbeitsmediums und ist daher ein „Elementarbaustein" des Kreisprozesses. In jedem der Teilprozesse Pi kann Arbeit wi und/oder Wärme qi an das System übertragen oder ihm entzogen werden. Typische Zustandsänderungen bei Gasprozessen sind Isochore, Isentrope, Isobare, Isotherme oder ganz allgemein die Polytrope. Bei Dampfprozessen gibt es dazu noch Verdampfung und Kondensation. Alle Prozesse unterliegen dem ersten und zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Danach ist die Summe aller an einem Prozess beteiligten Energien konstant, und die Änderung der Entropie kann nicht negativ werden (dS ≥ 0). So bleibt die Entropie nur bei reversiblen Prozessen unverändert und nimmt bei allen irreversiblen Prozessen zu. Nach Max Planck sind alle natürlichen Prozesse irreversibel.A subprocess P i changes the state Z i of the working medium and is therefore an "elementary component" of the cycle process In each of the subprocesses P i , work w i and / or heat q i can be transmitted to or removed from the system are isochores, isentropes, isobars, isotherms or, more generally, polytropes, vaporization and condensation, all processes are governed by the first and second law of thermodynamics, and then the sum of all energies involved in a process is constant, and the change The entropy can not become negative (dS ≥ 0), so that entropy only remains unchanged in reversible processes and increases in all irreversible processes According to Max Planck, all natural processes are irreversible.
Weil nur zwei Zustandsgrößen ausreichen, um ein homogenes System zu beschreiben, können dessen Zustandsänderungen als stetige Kurvenzüge in einer Ebene dargestellt werden. Häufig verwendet werden die Darstellungen von Druck über Volumen (p,V-Diagramm), Temperatur über Entropie (T,S-Diagramm), oder Enthalpie über Entropie (h,s-Diagramm). Daneben gibt es je nach Anwendung andere vorteilhafte Darstellungen.Because only two state variables are sufficient to To describe a homogeneous system, its state changes as continuous curves in a level. Frequently used are the representations from pressure over Volume (p, V-diagram), temperature over entropy (T, S-diagram), or enthalpy over Entropy (h, s diagram). There are also other advantageous depending on the application Representations.
Bei einem rechtslaufenden Kreisprozess ist die Summe der Nutzarbeiten aller einzelnen Teilprozesse aus Sicht des Systems negativ (Σ wi < 0), und dieser Betrag kann als Antrieb an einen externen Verbraucher gegeben werden. Beispiele hierzu sind der Otto- oder der Dieselprozess mit vier Teilprozessen und vier Zuständen.In the case of a right-handed cyclic process, the sum of the useful work of all individual sub-processes is negative (Σ w i <0) from the point of view of the system, and this amount can be given as drive to an external consumer. Examples include the gasoline or diesel process with four sub-processes and four states.
Bei einem linkslaufenden Kreisprozess ist die Summe der Nutzarbeiten aller Teilprozesse aus Sicht des Systems positiv (Σ wi > 0), und dieser Betrag muss durch einen Antrieb geliefert werden. Ein Beispiel hierzu ist die Wärmepumpe, ebenfalls mit vier Teilprozessen und vier Zuständen.In a left-handed cyclic process, the sum of the useful work of all the sub-processes is positive (Σ w i > 0) from the point of view of the system, and this amount must be supplied by a drive. An example of this is the heat pump, also with four sub-processes and four states.
Die resultierende Nutzarbeit aller bekannten Kreisprozesse kann man im Druck-Volumen-Diagramm als die durch den Rand des Kreisprozesses begrenzte Fläche erkennen. Dabei kann jeder Teilprozess bei unveränderter kinetischer und potenzieller Energie nur dann Arbeit abgeben, wenn der Druck des Arbeitsmediums abnimmt. Eine isobare Zustandsänderung leistet keinen Beitrag zur externen Nutzarbeit.The resulting useful work of all known cycle processes one can in the pressure-volume diagram recognize as the limited by the edge of the circular process surface. Each partial process can be carried out with unchanged kinetic and potential Energy only work when the pressure of the working medium decreases. An isobaric state change makes no contribution to external work.
Ein herkömmlicher Kreisprozess liefert keine externe Arbeit wenn die Summe aller Nutzarbeiten ausgeglichenen ist (Σ wi = 0). In diesem Fall degeneriert die von den Kanten des Prozesses berandete Fläche im Druck-Volumen-Diagramm zu einer Linie oder einem Punkt.A conventional cycle does not provide external work when the sum of all useful work is balanced (Σ w i = 0). In this case, the area bordered by the edges of the process in the pressure-volume diagram degenerates into a line or a point.
Abschnitt 2: STATISCHE UND DYNAMISCHE KREISPROZESSESection 2: STATIC AND DYNAMIC CIRCULAR PROCESSES
Wie die Erfahrung zeigt ist die Theorie der Thermodynamik mit der Entwicklung der Dampfmaschine entstanden, dem Vorläufer aller heutigen Wärmekraftmaschinen. Das zur Abgabe von Arbeit wesentliche konstruktive Element der Dampfmaschine ist der in einem Zylinder bewegliche Kolben, welcher den abnehmenden Druck des Dampfes in Arbeit wandelt. In den Lehrbüchern der Thermodynamik werden die Konzepte zur Energiewandlung daher auch mit Hilfe eines in einem Zylinder beweglichen Kolbens vermittelt.As The experience shows is the theory of thermodynamics with the development the steam engine, the forerunner of all today's heat engines. The essential for the delivery of labor constructive element of the steam engine is the movable piston in a cylinder, which the decreasing Pressure of steam converts into work. In the textbooks of Thermodynamics are therefore the concepts for energy conversion as well mediated by means of a piston movable in a cylinder.
Allen oszillierenden Kolbenmaschinen ist aber gemeinsam, dass der Kolben am oberen und unteren Wendepunkt seiner Bewegung für einen Moment still steht, seine Geschwindigkeit also den Wert „0" erreicht. Weil das Volumen des Arbeitsmediums in einer Kolbenmaschine durch den Kolben verändert wird, befindet sich das Arbeitsmedium im Zylinder am oberen und unteren Wendepunkt ebenfalls in Ruhe. Weiterhin ist die Zustandsänderung des Arbeitsmediums zwischen den beiden Wendepunkten der Kolbenbewegung immer dann ein quasistatischer Vorgang, wenn die Kolbengeschwindigkeit klein ist gegenüber der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Druckstörung im Arbeitsmedium (bei Gasen ist das die Schallgeschwindigkeit).all but oscillating piston engines is common that the piston at the upper and lower turning point of his movement for one Moment stands still, its speed thus reaches the value "0" Volume of working fluid in a piston engine through the piston is changed, is the working medium in the cylinder at the top and bottom Turning point also at rest. Furthermore, the state change the working medium between the two turning points of the piston movement always a quasi-static event when the piston speed small is opposite the propagation velocity of a pressure disturbance in the working medium (at Gases is the speed of sound).
Diese konstruktiv bedingten Merkmale der Kolbenmaschine finden sich in der Theorie der Kreisprozesse wieder, denn in den Eckpunkten aller bekannten idealen Kreisprozesse ist das Arbeitsmedium in Ruhe. Die konstruktiv bedingte geringe Kolbengeschwindigkeit der Dampfmaschine findet sich in der Theorie der Teilprozesse aller bekannten Kreisprozesse wieder, denn ihre Teilprozesse sind quasistatische Zustandsänderungen, bei denen das Arbeitsmedium sich nicht nur in den Eckpunkten sondern auch während der gesamten Zustandsänderung zwischen den Eckpunkten in Ruhe befindet.These constructive characteristics of the piston engine can be found in the theory of circular processes again, because in the vertices of all known ideal cycles is the working medium at rest. The constructive low piston speed of the steam engine is found in the theory of the subprocesses of all known cycle processes again, because their subprocesses are quasistatic state changes, where the working medium is not only in the corners but even while the entire state change between the corner points at rest.
Historisch bedingt basieren alle bekannten Kreisprozesse also auf der impliziten Annahme, dass das Arbeitsmedium sich stets in Ruhe befindet und die Geschwindigkeit des Arbeitsmediums KEINE unabhängige Zustandsvariable ist. Konstruktiv bedingt ist diese Annahme für alle oszillierenden Kolbenmaschinen auch richtig, deren Kolben am oberen und unteren Wendepunkt der Bewegung in Ruhe ist, und deren Geschwindigkeit klein ist gegenüber der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Druckstörungen im fluiden Arbeitsmedium.Historical conditionally, all known cycle processes are based on the implicit ones Assumption that the working medium is always at rest and the Speed of the working medium is NOT an independent state variable. This assumption is constructive for all oscillating piston machines also correct, whose pistons at the upper and lower turning point of the Movement is at rest, and its speed is small compared to the Propagation speed of pressure disturbances in the fluid working medium.
Zur Abgrenzung der Erfindung gegenüber allen bekannten Verfahren werden daher nun zwei Arten von Kreisprozessen definiert:
- • Bei einem STATISCHEN KREISPROZESS ist die Geschwindigkeit des Arbeitsmediums KEINE unabhängige Zustandvariable zur Beschreibung eines Prozesszustandes. Diese Definition gilt für alle bekannten Kreisprozesse.
- • Bei einem DYNAMISCHEN KREISPROZESS ist die Geschwindigkeit des Arbeitsmediums eine unabhängige Zustandsvariable zur Beschreibung eines Prozesszustandes. Diese Definition gilt für alle nachfolgend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen.
- • In a STATIC CIRCULAR PROCESS, the velocity of the working medium is NOT an independent state variable for describing a process condition. This definition applies to all known cycle processes.
- • In a DYNAMIC CIRCULATION PROCESS, the velocity of the working medium is an independent state variable used to describe a process condition. This definition applies to all methods and devices according to the invention described below.
Aus den beiden Definitionen ergeben sich folgende Erkenntnisse:
- 1. Alle realisierten Wärmekraftmaschinen basieren heute noch auf statischen Kreisprozessen, sogar wenn sie ihre Nutzarbeit mit Hilfe einer Turbine gewinnen. In diesem Sinne werden Dampf- und Gasturbinen thermodynamisch betrachtet heute nur als „simulierte Kolbenmaschinen" eingesetzt.
- 2. Es ist unmöglich, einen dynamischen Kreisprozess mit Hilfe einer Kolbenmaschine zu realisieren, solange die Nutzarbeit des Prozesses mit Hilfe eines beweglichen Kolbens gewonnen wird. In einem dynamischen Kreisprozess kann die Nutzarbeit nur mit Hilfe einer Strömungsmaschine gewonnen werden.
- 3. Die Zustandsgleichungen zur Beschreibung dynamischer Kreisprozesse enthalten die Geschwindigkeit des Arbeitsmediums als unabhängige Zustandsvariable. Mit drei möglichen Freiheitsgraden für Rotation und Translation sind bis zu sechs weitere Zustandsvariablen möglich.
- 4. Die Eckpunkte von statischen Teilprozessen liegen im Zustandsraum des Arbeitsmediums auf einer Fläche mit gleicher Geschwindigkeit (Isotache). Die Eckpunkte von dynamischen Teilprozessen liegen auf verschiedenen Isotachen. Ein dynamischer Teilprozess ist immer auch eine Polytache.
- 5. Alle denkbaren statischen Kreisprozesse liegen auf einer Isotachen. Alle denkbaren dynamischen Kreisprozesse werden von zwei verschiedenen Isotachen begrenzt und enthalten mindestens einen dynamischen Teilprozess.
- 1. All realized heat engines are still based on static cycle processes, even if they gain their useful work with the help of a turbine. In this sense, steam and gas turbines thermodynamically considered today only as "simulated piston engines" used.
- 2. It is impossible to realize a dynamic cycle with the aid of a reciprocating machine, as long as the useful work of the process is obtained by means of a movable piston. In a dynamic cycle process, the useful work can only be obtained with the help of a turbomachine.
- 3. The equations of state for describing dynamic cycle processes contain the velocity of the working medium as an independent state variable. With three possible degrees of freedom for rotation and translation, up to six other state variables are possible.
- 4. The vertices of static subprocesses lie in the state space of the working medium on an area with the same velocity (isotache). The cornerstones of dynamic subprocesses are on different isotacts. A dynamic subprocess is always a polytache.
- 5. All conceivable static cycles lie on an isotache. All conceivable dynamic cycle processes are limited by two different isotachines and contain at least one dynamic subprocess.
Aus dieser Überlegung wird deutlich, dass die bisher realisierten statischen Kreisprozesse eine Untermenge aller möglichen Kreisprozesse darstellen, weil sie im Zustandsraum aller denkbaren Kreisprozesse jeweils auf einer Isotachen definiert sind. Alle erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen enthalten im Unterschied zu den bekannten Verfahren und Vorrichtungen einen dynamischen Kreisprozess. Jeder dynamische Kreisprozess enthält mindestens einen dynamischen Teilprozess zwischen zwei Isotachen.Out this consideration It becomes clear that the previously realized static cycles a subset of all possible ones Circular processes represent because they are in the state space of all conceivable Circular processes are each defined on an isotache. All methods of the invention and devices unlike the known methods and devices a dynamic cycle. Every dynamic Circular process contains at least a dynamic sub-process between two isotachs.
Abschnitt 3: DYNAMISCHE TEILPROZESSESection 3: DYNAMIC PART PROCESSES
Die Eckpunkte dynamischer Teilprozesse liegen auf zwei verschiedenen Isotachen, und das Arbeitsmedium hat zu Beginn und am Ende eine unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeit. Es ist einleuchtend, dass es unendlich viele mögliche dynamische Teilprozesse gibt, aber allen möglichen dynamischen Teilprozessen ist folgendes gemeinsam:
- 1. Jeder dynamische Prozesszustand Z+ mit der Totalenthalpie h+ und einer Geschwindigkeit c > 0 besitzt einen korrespondierenden Ruhezustand Z° mit der Enthalpie h° und der Geschwindigkeit i = 0 und es gilt h° = h+ (Energieerhaltung).
- 2. Es gibt einen adiabaten Prozess P+ mit dem sich der Bewegungszustand aus dem Ruhezustand erreichen lässt (P+ = Z° → Z+), d.h. eine Masse lässt sich ohne Wärmeübertragung unter Einsatz von Arbeit beschleunigen.
- 3. Es gibt einen adiabaten Prozess P° mit dem sich der Ruhezustand aus dem Bewegungszustand erreichen lässt (P° = Z+ → Z°), d.h. eine Masse lässt sich ohne Wärmeübertragung unter Gewinnung von Arbeit verzögern.
- 4. Die Enthalpie h des dynamischen Prozesszustandes unterscheidet sich von der Enthalpie des korrespondierenden Ruhezustandes h° durch die kinetische Energie e des strömenden Arbeitsmediums und es gilt h° = h+ = h + e.
- 5. Jeder mögliche dynamische Teilprozess lässt sich durch einen zweiteiligen Ersatzprozess mit einem statischen und einem dynamischen Prozessanteil darstellen, wobei der statische Prozessanteil auf einer Isotachen verläuft und der dynamische Anteil isobar zwischen zwei Isotachen abläuft.
- 1. Each dynamic process state Z + with the total enthalpy h + and a velocity c> 0 has a corresponding rest state Z ° with the enthalpy h ° and the velocity i = 0 and h ° = h + (conservation of energy).
- 2. There is an adiabatic process P + with which the state of motion can be reached from the resting state (P + = Z ° → Z + ), ie a mass can be accelerated without heat transfer by using work.
- 3. There is an adiabatic process P ° with which the resting state can be reached from the state of motion (P ° = Z + → Z °), ie a mass can be delayed without heat transfer to gain work.
- 4. The enthalpy h of the dynamic process state differs from the enthalpy of the corresponding rest state h ° by the kinetic energy e of the flowing working medium and h ° = h + = h + e.
- 5. Each possible dynamic part process can be represented by a two-part replacement process with one static and one dynamic process part, whereby the static process part runs on one isotache and the dynamic part isobaric between two isotacts.
Von allen möglichen dynamischen Teilprozessen werden für die folgende Diskussion nur zwei spezielle Prozesse untersucht: Der isobar-adiabate Arbeitsprozess und die adiabate Beschleunigung in einer konvergenten Wirbelströmung. Beide Prozesse sind elementar, weil mit dem Arbeitsprozess die Nutzarbeit aus einer Strömung gewonnen werden kann, die mit dem Beschleunigungsprozess erzeugt wurde.From all possible dynamic subprocesses will only be used for the following discussion examines two special processes: the isobar-adiabatic working process and the adiabatic acceleration in a convergent vortex. Both Processes are elementary, because with the working process the useful work from a flow can be obtained, which was generated with the acceleration process.
Zur Vereinfachung wird die potenzielle Energie zwischen zwei Prozesszuständen in der folgenden Darstellung als konstant angesehen (Δz = 0).to Simplification will reduce the potential energy between two process states the following representation is considered constant (Δz = 0).
Abschnitt 3.1: ISOBAR-ADIABATER ARBEITSPROZESSSection 3.1: ISOBAR ADIABATERS WORK PROCESS
Ein isobar-adiabater Arbeitsprozess verändert weder den Druck noch die Temperatur des Arbeitsmediums, sondern verringert nur die Strömungsgeschwindigkeit und liefert Arbeit. Ein solcher Prozess ist mit einem statischen Teilprozess nicht möglich, weil statische Teilprozesse nur bei Druckminderung Arbeit abgeben können.An isobar-adiabatic working process does not change the pressure or the temperature of the working medium, but only reduces the flow velocity and provides work. Such a process is not possible with a static sub-process, because static sub-processes only at pressure can give away work.
Der isobar-adiabate Arbeitsprozess ist bekannt und wird zum Beispiel mittels einer Windkraftanlage realisiert. Eine „ideale Windkraftanlage" verändert weder den Druck noch die Temperatur der Luft. Sie verringert die Strömungsgeschwindigkeit des Windes auf 1/3 und kann nach der theoretischen Ableitung von Betz maximal 16/27 der im Wind enthaltenen Strömungsenergie gewinnen (Gasch: „Windkraftanlagen", B.G. Teubner Stuttgart 1996, 3. Auflage, Seite 120).Of the isobar-adiabate work process is known and will for example realized by means of a wind turbine. An "ideal wind turbine" does not change the pressure is still the temperature of the air. It reduces the flow velocity of the Wind on 1/3 and can according to the theoretical derivation of Betz a maximum of 16/27 of the wind energy contained in the wind (Gasch: "wind turbines", B.G. Teubner Stuttgart 1996, 3rd edition, page 120).
Zur thermodynamischen Analyse dieses Arbeitsprozesses wird die Temperaturdifferenz der korrespondierenden Ruhezustände des Windes vor und hinter einer Windkraftanlage ermittelt, das sind die Zustände Z°1 und Z°2. Dazu denkt man sich eine Folge von drei dynamischen Teilprozessen, in denen zuerst ruhende Luft beschleunigt wird und Wind entsteht, dem Wind dann durch eine Windkraftanlage kinetische Energie entzogen wird, und die Luft abschließend wieder in den Ruhezustand versetzt wird. Der Prozessablauf ist Z°1 → Z+ 1 → Z+ 2 → Z°2. Der eigentliche Arbeitsprozess Z+ 1 → Z+ 2 ist isobar und adiabat, d.h. Druck und Temperatur ändern sich nicht – so wie Druck und Temperatur der Luft in ausreichendem Abstand vor und hinter einer real existierenden Windkraftanlage gleich bleiben.For the thermodynamic analysis of this working process, the temperature difference of the corresponding quiescent states of the wind in front of and behind a wind turbine is determined, these are the states Z ° 1 and Z ° 2 . To do this, one thinks of a sequence of three dynamic subprocesses, in which static air is first accelerated and wind is created, the wind is then deprived of kinetic energy by a wind turbine, and finally the air is put back into hibernation. The process flow is Z ° 1 → Z + 1 → Z + 2 → Z ° 2 . The actual work process Z + 1 → Z + 2 is isobaric and adiabatic, ie pressure and temperature do not change - just as the pressure and temperature of the air remain at a sufficient distance in front of and behind a real existing wind turbine.
Weil
dem Wind kinetische Energie entzogen wird, ändert sich die Totalenthalpie
h+ der Luft und sinkt um den Betrag der
entzogenen Windenergie. Folglich unterscheiden sich die Enthalpien
der korrespondierenden Ruhezustände
der Luft h°1 und h°2 um genau den Betrag der kinetischen Energie,
welche dem Wind entnommen wurde. Die Enthalpie der ruhenden Luft
ist aber nur eine Funktion der Temperatur, denn Luft verhält sich
bei Atmosphärendruck mit
hinreichender Genauigkeit wie ein ideales Gas. Folglich unterscheiden
sich die Enthalpien h°1 und h°2 der korrespondierenden Ruhezustände der
Luft vor und hinter der Windkraftanlage nur in der Temperatur. Der
Ruhezustand der Luft hinter der Windkraftanlage ist also kälter um
den Betrag:
Das
Abbremsen des Windes im dynamischen isobar-adiabaten Arbeitsprozess
hat also die gleiche Wirkung wie ein Kühler in einem statischen Kreisprozess:
Er vermindert die innere Energie des Arbeitsmediums und senkt damit
die Temperatur des korrespondierenden Ruhezustands. Die Entropieänderung
dieser Prozessfolge lässt
sich aus den Temperaturen der korrespondierenden Ruhezustände bestimmen:
Weil der erste und der dritte Teilprozess theoretisch immer auch als adiabater Prozess durch Austausch von Arbeit ohne Wärmeübertragung erfolgen kann, stammt die Entropieänderung also nur aus dem zweiten Teilprozess, dem adiabat-isobaren Arbeitsprozess, und es gilt die Erkenntnis:
- • Ein adiabat-isobarer Arbeitsprozess senkt die Entropie des Arbeitsmediums ohne Wärmeübertragung, oder
- • eine Windkraftanlage, welche nur die Geschwindigkeit des Windes reduziert, mindert die Entropie der Luft.
- • An adiabatic-isobaric work process reduces the entropy of the working medium without heat transfer, or
- • A wind turbine, which only reduces the speed of the wind, reduces the entropy of the air.
Dieses Ergebnis ist im Rahmen der kinetischen Gastheorie leicht zu verstehen, denn „Wind" ist ein Bewegungszustand der Luft in der alle Luftmoleküle sich mit einem Anteil ihrer Bewegungsenergie statistisch gemittelt gleichzeitig in die gleiche Richtung bewegen. Wenn die Geschwindigkeit des Windes isobar und adiabat gesenkt wird, dann verringert man damit gleichzeitig die mittlere kinetische Energie ALLER beteiligter Moleküle der Luft und damit deren innere Energie im korrespondierenden Ruhezustand. Bei einem idealen Gas ist die innere Energie aber nur eine Funktion der Temperatur, die zwangsläufig sinken muss, wenn man die mittlere kinetische Energie der Teilchen im Gas reduziert – und genau DAS macht eine Windkraftanlage. Die Temperaturänderung ist aber nur im korrespondierenden Ruhezustand der Luft messbar und nicht innerhalb der Strömung des Windes, denn die Strömung bleibt isotherm.This Result is easy to understand in the context of kinetic gas theory, because "wind" is a state of movement the air in the all air molecules statistically averaged with a proportion of their kinetic energy move in the same direction at the same time. When the speed of the wind isobar and adiabat is lowered, then one reduces at the same time the mean kinetic energy of ALL participants molecules the air and thus their inner energy in the corresponding state of rest. at but an ideal gas, the internal energy is only a function the temperature, which inevitably has to decrease, considering the mean kinetic energy of the particles reduced in gas - and That's exactly what a wind turbine does. The temperature change but is measurable only in the corresponding idle state of the air and not within the flow of the wind, because the current remains isothermal.
Das
Ergebnis kann auch auf inkompressible Arbeitsmedien übertragen
werden, denn die Entropie ist allgemein definiert als:
Bei einem adiabat-isobaren Arbeitsprozess gibt es keine Änderung von Druck oder Temperatur, folglich gilt dp = 0 und dS = dH/T. Weil die Enthalpie des korrespondierenden Ruhezustandes einer beliebigen Strömung durch den adiabat-isobaren Arbeitsprozess abnimmt, sinkt die Entropie des Arbeitsmediums im Ruhezustand, und das Ergebnis gilt sowohl für Gase als auch für Flüssigkeiten.at There is no change in an adiabatic-isobaric work process of pressure or temperature, consequently dp = 0 and dS = dH / T. Because Enthalpy of the corresponding resting state of any flow through the adiabatic-isobaric Decreases the entropy of the working medium in the working process decreases Hibernation, and the result applies to both gases and liquids.
Aus dieser Diskussion folgen drei wichtige Erkenntnisse:
- • Weil jeder mögliche dynamische Teilprozess in einen isotachen statischen Anteil und einen polytachen dynamischen Anteil zerlegt werden kann, und statische Teilprozesse nach dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik immer die Entropie erhöhen, ist der adiabat-isobare Arbeitsprozess der besondere Prozess mit der maximal möglichen Entropieminderung aller möglichen dynamischen Arbeitsprozesse.
- • Ein adiabat-isobarer Arbeitsprozess kann nur mit einer Gleichdruckturbine realisiert werden, denn es gibt keine Kolbenmaschine, die ohne Druckänderung Nutzarbeit liefern kann.
- • Die Gleichdruckturbine ist die bestmögliche Vorrichtung zur Umsetzung eines dynamischen Arbeitsprozesses, denn der dynamische Arbeitsprozess einer Überdruckturbine enthält einen statischen Prozessanteil, der nach dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik die Entropie erhöht.
- • Because every possible dynamic subprocess can be decomposed into an isotactical static part and a polytaching dynamic part, and static subprocesses after the 2nd main part Thermodynamics always increase the entropy, the adiabatic-isobaric work process is the special process with the maximum possible entropy reduction of all possible dynamic work processes.
- • An adiabatic-isobaric work process can only be realized with a constant-pressure turbine, because there is no piston engine that can deliver useful work without pressure change.
- • The constant pressure turbine is the best possible device for implementing a dynamic working process, because the dynamic working process of an overpressure turbine contains a static process component, which increases the entropy according to the second law of thermodynamics.
Aus dieser Diskussion wird deutlich, dass die bestmögliche Vorrichtung bzw. Maschine zur Umsetzung eines dynamischen Kreisprozesses ihre Nutzarbeit mit Hilfe einer Gleichdruckturbine gewinnen muss.Out This discussion makes it clear that the best possible device or machine to implement a dynamic cycle their useful work with Help win a constant pressure turbine.
Abschnitt 3.2: ADIABATE BESCHLEUNIGUNG IM WIRBELSection 3.2: ADIABATE ACCELERATION IN THE SPIRIT
Der zweite dynamische Teilprozess, der hier untersucht werden soll, ist die adiabate Beschleunigung eines Fluides mit Hilfe einer konvergenten Wirbelströmung.Of the second dynamic subprocess to be examined here is the adiabatic acceleration of a fluid with the help of a convergent Vortex flow.
Wirbelströmungen sind in der Natur bekannt als zweidimensionale oder auch dreidimensionale Strömungsvorgänge, in denen Luft oder Wasser spiralförmig um ein Wirbelzentrum fließt und die Strömungsgeschwindigkeit gegen das Wirbelzentrum anwächst. Ein dynamischer Teilprozess, der die Zustandsänderung des Arbeitsmediums vom Rand des Wirbels zum Zentrum beschreibt, benötigt im zweidimensionalen Wirbel eine zweite, und im dreidimensionalen Wirbel eine dritte Geschwindigkeitsvariable.Vortex flows are known in nature as two-dimensional or three-dimensional flow processes, in which air or water spiral flowing around a vortex center and the flow velocity grows against the vortex center. A dynamic subprocess that changes the state of the working medium from the edge of the vortex to the center, needed in the two-dimensional vortex a second, and in the three-dimensional vortex a third speed variable.
Zur Vereinfachung der folgenden Diskussion soll hier nur die ebene Wirbelströmung eines inkompressiblen Arbeitsmediums dargestellt werden, wie sie beispielsweise in parallelwandigen Rotationshohlräumen von hydraulischen Maschinen zu finden ist. In diesem Fall werden als Zustandsvariablen Druck p, Temperatur T, Umfangsgeschwindigkeit cu und Meridiangeschwindigkeit cm gewählt. Das sind vier Zustandsvariablen, von denen drei unabhängig sind. Bei inkompressiblen Medien bleibt das spezifische Volumen konstant.To simplify the following discussion, only the planar vortex flow of an incompressible working medium is to be represented here, as can be found, for example, in parallel-walled rotary cavities of hydraulic machines. In this case, pressure p, temperature T, peripheral speed c u and meridional speed c m are selected as state variables. These are four state variables, three of which are independent. With incompressible media, the specific volume remains constant.
Die Wirbelströmung beginnt an einem äußeren Rand des Wirbels mit dem größeren Abstand r1 vom Wirbelzentrum und endet am inneren Rand mit dem geringeren Abstand r2 vom Wirbelzentrum. Das Verhältnis der Abstände von äußerem und innerem Rand der Strömung sei k = r1/r2, und bei einer konvergenten Wirbelströmung gilt k > 1. In einer ebenen reibungsfreien Wirbelströmung ist das Verhältnis zwischen Meridiangeschwindigkeit cm und Umfangsgeschwindigkeit cu konstant und es gilt cm/cu = tan α = const, so dass die Strömung einer logarithmischen Spirale mit dem Neigungswinkel α folgt. Die Bahngeschwindigkeit c ergibt sich aus der Vektoraddition von Meridian- und Umfangsgeschwindigkeit.The vortex flow begins at an outer edge of the vortex with the larger distance r 1 from the vortex center and ends at the inner edge with the smaller distance r 2 from the vortex center. Let k = r 1 / r 2 be the ratio of the distances between the outer and inner edges of the flow, and k> 1 for a convergent eddy flow. In a plane frictionless vortex flow, the ratio between the meridional velocity c m and the peripheral velocity c u is constant c m / c u = tan α = const, so that the flow follows a logarithmic spiral with the inclination angle α. The web speed c results from the vector addition of meridian and peripheral speed.
In allen adiabaten Strömungsvorgänge bleibt die Totalenthalpie unverändert. In einer konvergenten Wirbelströmungen bleibt der Drehimpuls erhalten. In rotierenden Strömungen wirkt eine Zentrifugalkraft, die durch einen inneren Druckgradienten zum Zentrum hin ausgeglichen werden muss. Der Druckgradient ist in der radialen Druckgleichung durch die Zentrifugalbeschleunigung az gegeben mit dp/dr = ρ az (Siekmann: „Strömungslehre", Springer Verlag 2000, Seite 48).In all adiabatic flow processes, the total enthalpy remains unchanged. In a convergent eddy currents, the angular momentum is retained. In rotating flows a centrifugal force acts, which has to be compensated by an inner pressure gradient towards the center. The pressure gradient is given in the radial pressure equation by the centrifugal acceleration a z with dp / dr = ρ a z (Siekmann: "fluid dynamics", Springer Verlag 2000, page 48).
Aus diesen Nebenbedingungen lässt sich die Zustandsänderung der adiabaten Beschleunigung im konvergenten Wirbel ermitteln.Out leaves these constraints the state change determine the adiabatic acceleration in the convergent vortex.
Die
Geschwindigkeitsänderung
und damit die Änderung
der kinetischen Energie Δe
ergibt sich aus dem Drehimpulserhaltungssatz mit der Eintrittsgeschwindigkeit
c für das
Radienverhältnis
k mit:
Die
Druckänderung Δp ergibt
sich durch Integration der radialen Druckgleichung in den Grenzen r1 und r2 mit der
Zentrifugalbeschleunigung az = cu 2/r für die Eintrittsgeschwindigkeit
c und den Spiralwinkel α mit:
Die
Druckänderung
ist negativ und der Druck zum Wirbelzentrum nimmt naturgemäß ab. Die
Totalenthalpie bleibt erhalten, und es gilt:
Daraus
ergibt sich die Änderung
der inneren Energie Δu
des strömenden
Arbeitsmediums mit:
Die
innere Energie sinkt also in der konvergenten Wirbelströmung zugunsten
der Strömungsenergie.
Da die innere Energie nur eine Funktion der Temperatur ist, kann
man die Temperaturabsenkung in der konvergenten Wirbelströmung für ein inkompressibles
fluides Arbeitsmedium mit der spezifischen Wärmekapazität cv berechnen
mit:
Für strömendes Wasser mit einer Wirbeleingangsgeschwindigkeit c = 6 m/s und einem Radienverhältnis k = 3 ergibt sich aus dieser Gleichung bei einem Spiralwinkel von α = 30° eine Temperaturänderung ΔT = –0.0086 °C oder ΔT = –8.6 mK. Temperaturänderungen dieser Größenordnung wurden bisher vernachlässigt.For flowing water with a vortex gangsgeschwindigkeit c = 6 m / s and a radii ratio k = 3 results from this equation at a helix angle of α = 30 ° a temperature change ΔT = -0.0086 ° C or ΔT = -8.6 mK. Temperature changes of this magnitude have so far been neglected.
Weil
die Strömungsgeschwindigkeit
c im Zufluss der Wirbelströmung
von der Druckdifferenz Δp zwischen
Zufluss und Abfluss abhängt,
gilt weiterhin:
Die konvergente Wirbelströmung wirkt also zum einen beschleunigend, weil sie die Geschwindigkeit einer Strömung erhöht, und zum anderen abkühlend, weil sie die Temperatur des Mediums senkt. Dieser dynamische Teilprozess hat also wiederum zu einem Teil die gleiche Wirkung wie ein Kühler in einem statischen Kreisprozess.The convergent vortex flow So, on the one hand, it has an accelerating effect because it increases the speed a flow elevated, and cooling off to another, because it lowers the temperature of the medium. This dynamic subprocess in turn has the same effect as a cooler in part a static cycle.
Die Ableitung erfolgte hier für ein inkompressibles Arbeitsmedium, wie z.B. Wasser, sie kann aber analog dazu für kompressible Medien dargestellt werden, wie z.B. Luft. Es muss nur die Dichteänderung berücksichtigt werden.The Derivation took place here for an incompressible working medium, such as e.g. Water, but it can be analog for this compressible media, such as e.g. Air. It only has to the density change considered become.
Mit einer konvergenten Wirbelströmung kann man folglich die innere Energie eines fluiden Arbeitsmediums zugunsten der Strömungsenergie wandeln, wobei die Temperatur des Mediums sinkt. Ein Absinken der Temperatur bedeutet gleichzeitig eine Minderung der Entropie – aber ohne Wärmeübertragung.With a convergent vortex flow Consequently, one can the internal energy of a fluid working medium in favor of the flow energy convert, whereby the temperature of the medium decreases. A drop in the Temperature also means a reduction in entropy - but without Heat transfer.
Aus dieser Diskussion wird deutlich, dass die bestmögliche Vorrichtung zur Umsetzung eines dynamischen Kreisprozesses die Strömungsgeschwindigkeit mit Hilfe einer konvergenten Wirbelströmung erzeugen muss.Out This discussion makes it clear that the best possible implementation device a dynamic cycle process the flow velocity with the help of create a convergent vortex flow got to.
Abschnitt 3.3: SCHLUSSFOLGERUNGENSection 3.3: CONCLUSIONS
Die vorangegangene Diskussion zeigt, dass es mindestens zwei dynamische Teilprozesse gibt, welche die Entropie eines Mediums ohne Wärmeübertragung senken. Sie zeigt ebenfalls, dass ein dynamischer Teilprozess nur dann realisierbar ist, wenn die Geschwindigkeit des Arbeitsmediums eine Zustandsvariable ist. In diesem Fall existiert sowohl für ein kompressibles als auch für ein inkompressibles Arbeitsmedium mindestens ein entropiemindernder Teilprozess. Daraus ergeben sich weitreichende Folgen für die Theorie der Thermodynamik, für die Existenz möglicher Energiewandlungsprozesse und für die Theorie möglicher Maschinen zur Energiewandlung:
- 1. Die bekannte Theorie der Thermodynamik ist UNVOLLSTÄNDIG im Hinblick auf die Existenz dynamischer Kreisprozesse. Die bekannte Theorie beschreibt nur statische Kreisprozesse und auch nur solche wurden bisher technisch realisiert.
- 2. Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik in seiner bekannten Form gilt nur für statische Kreisprozesse, bei denen die Geschwindigkeit des Arbeitsmediums KEINE Zustandsvariable ist. Für dynamische Kreisprozesse muss der 2. Hauptsatz der Thermodynamik neu formuliert werden.
- 3. Die Aussage des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik bezüglich der Wärmeübertragung gilt unverändert für alle statischen und dynamischen Teilprozesse. Danach ist Wärme eine Energieform, und sie fließt „von selbst" nur in Richtung geringerer Temperatur, also nur von „heiß" nach „kalt".
- 4. Die Aussage des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik bezüglich der positiven Entropieänderung (dS ≥ 0) gilt nur für statische Teilprozesse, bei denen die Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsmedium KEINE Zustandsvariable ist. Die einschränkende Entropiebedingung (dS ≥ 0) gilt nicht für alle dynamischen Teilprozesse.
- 5. Es gibt mindestens zwei dynamische Teilprozesse, bei denen die Geschwindigkeit des Arbeitsmediums eine Zustandsvariable ist, welche die innere Energie des Arbeitsmediums ohne Wärmeübertragung senken und darum seine Entropie mindern können (dS < 0). Folglich ist es möglich einen rechtslaufenden dynamischen Kreisprozess zu definieren, der ohne Kühler funktioniert, und der, ohne Abwärme abzuführen, trotzdem Nutzarbeit an einen externen Verbraucher liefern kann.
- 6. Weil die innere Energie eines strömenden Arbeitsmediums mit Hilfe eines dynamischen Prozesses technisch genutzt werden kann, ist diejenige Wärmeenergie zugänglich, die zeitlich VOR Beginn des Prozessablaufes an das Arbeitsmedium übertragen wurde.
- 7. Mit einem dynamischen Kreisprozess ist es möglich, die innere Energie des Wassers und der Luft bei Umgebungstemperatur technisch zu nutzen. Die innere Energie von Wasser und Luft stammt aus Wärmeübertragung der Sonne. Wasser und Luft enthalten „historische" Solarenergie.
- 1. The well-known theory of thermodynamics is INCOMPLETE in terms of the existence of dynamic cycles. The known theory describes only static cycles and only such have been technically realized.
- 2. The 2nd law of thermodynamics in its known form applies only to static cycles in which the velocity of the working medium is NOT a state variable. For dynamic cycle processes the 2nd law of thermodynamics has to be reformulated.
- 3. The statement of the 2nd law of thermodynamics with regard to heat transfer applies unchanged to all static and dynamic sub-processes. Thereafter, heat is an energy form, and it flows "by itself" only in the direction of lower temperature, ie only from "hot" to "cold".
- 4. The statement of the 2nd law of thermodynamics with respect to the positive entropy change (dS ≥ 0) applies only to static sub-processes in which the flow velocity of the working medium is NOT a state variable. The limiting entropy condition (dS ≥ 0) does not apply to all dynamic subprocesses.
- 5. There are at least two dynamic subprocesses in which the velocity of the working medium is a state variable which can lower the internal energy of the working medium without heat transfer and therefore reduce its entropy (dS <0). Consequently, it is possible to define a right-handed dynamic cycle that works without a cooler, and which, without dissipating waste heat, can still provide useful work to an external consumer.
- 6. Because the internal energy of a flowing working medium can be used technically with the help of a dynamic process, that heat energy is accessible, which was transferred temporally BEFORE the beginning of the process flow to the working medium.
- 7. With a dynamic cycle it is possible to use the internal energy of the water and the air at ambient temperature technically. The internal energy of water and air comes from the heat transfer of the sun. Water and air contain "historical" solar energy.
Damit ist klar, dass mit einem dynamischen Kreisprozess der Zeitpunkt des Betriebs einer Maschine vom Zeitpunkt der Wärmeübertragung entkoppelt werden kann, solange die Senkung der Entropie des Arbeitsmediums mit einem dynamischen Arbeits- oder Beschleunigungsprozess und NICHT mit einem Kühler erfolgt. In diesem Falle wird das Arbeitsmedium des dynamischen Kreisprozesses selbst zur Energiequelle, aus dessen innerer Energie die Nutzarbeit gewonnen wird, und es ist kein weiterer Energieträger erforderlich.In order to it is clear that with a dynamic cycle the time the operation of a machine from the time of heat transfer are decoupled can, as long as lowering the entropy of the working medium with a dynamic work or acceleration process and NOT with one cooler he follows. In this case, the working medium of the dynamic Circular process itself to the energy source, from whose internal energy the Useful work and no other source of energy is required.
Wenn die innere Energie des Arbeitsmediums technisch genutzt wird, muss seine Temperatur im dynamischen Kreisprozess sinken. Folglich gibt es mindestens einen dynamischen Kreisprozess, der Nutzarbeit liefert und gleichzeitig zur Erzeugung von Kälte eingesetzt werden kann. Solche Prozesse können linkslaufende statische Kreisprozesse in Wärmepumpen und Kältemaschinen ersetzen.If the internal energy of the working medium is used technically, its temperature must be sink in the dynamic cycle. Consequently, there is at least one dynamic cycle that provides useful work and can be used to generate cold at the same time. Such processes can replace left-handed static cycles in heat pumps and chillers.
Abschnitt 4: RECHTSLAUFENDE DYNAMISCHE KREISPROZESSESection 4: RIGHTS DYNAMIC CIRCULAR PROCESSES
Rechtslaufende ideale dynamische Kreisprozesse liefern Nutzarbeit und sind Modellprozesse zur Darstellung und Ableitung möglicher Maschinen. So ist der bekannte Carnot-Prozess ein Modellprozess, der als Referenz und Vergleichsprozess zur Bewertung realer statischer Prozesse herangezogen wird. Weil ein Kreisprozess beliebig viele Teilprozesse enthalten kann, gibt es unendlich viele mögliche dynamische Kreisprozesse. Weil die vom Rand des Kreisprozesses umschlossene Zustandsfläche eines rechtslaufenden Kreisprozesses ein Maß für die erzeugte Nutzarbeit ist, müssen solche Kreisprozesse mindestens drei verschiedene Zustände und Teilprozesse enthalten, von denen mindestens einer ein polytacher Prozess ist.Clockwise Ideal dynamic cycle processes provide useful work and are model processes for presentation and derivation of possible Machinery. Thus, the well-known Carnot process is a model process that as a reference and comparison process to evaluate real static Processes is used. Because a cycle can be any number of times Subprocesses can contain, there are infinitely many possible dynamic Cycles. Because those enclosed by the edge of the cycle state area a clockwise cycle is a measure of the useful work generated, have to such cycles at least three different states and Include subprocesses, at least one of which is a polytacher Process is.
Als
Beispiel für
mögliche
dynamische Kreisprozesse werden hier nur zwei ideale Prozesse mit jeweils
fünf Teilprozessen
dargestellt, der erste für ein
kompressibles Arbeitsmedium, wie zum Beispiel Luft, und der zweite
für ein
inkompressibles Arbeitsmedium, wie zum Beispiel Wasser. Die Prozesse werden
in den
Die Variablen zur Beschreibung der Prozesszustände sind hier Druck p, Temperatur T, Volumen V, Umfangsgeschwindigkeit cu und Meridiangeschwindigkeit cm, das sind fünf Variablen, vier davon sind unabhängig für kompressible Medien, drei für inkompressible Medien. Folglich benötigt man zur vollständigen Darstellung des Prozesses vier bzw. drei verschiedene Diagramme. Hier wurden ausgewählt:
- 1. Druck über Volumen (p,V-Diagramm),
- 2. Druck über Strömungsenergie, das ist die spezifische kinetische Energie der Strömung und ermittelt sich aus e = c2/2 (p,e-Diagramm),
- 3. Temperatur über Entropie (T,S-Diagramm),
- 4. Drallenergie über Transportenergie, das ist die spezifische Energie der Strömung in Umfangs- und Meridianrichtung und kann aus den Komponenten cu, und cm ermittelt werden (eu,em-Diagramm).
- 1. pressure over volume (p, V-diagram),
- 2. pressure across the flow energy, which is the specific kinetic energy of the flow and is determined by e = c 2/2 (p, e) plot,
- 3. temperature over entropy (T, S-diagram),
- 4. Spin energy via transport energy, which is the specific energy of the flow in the circumferential and meridian directions and can be determined from the components c u , and c m (e u , e m diagram).
In beiden Kreisprozessen wird das Arbeitsmedium in einem konvergenten Wirbel beschleunigt, und die Nutzarbeit wird mit einer Gleichdruckturbine gewonnen. Im Abstrom der Turbine wird aus der restlichen Strömungsenergie wieder statischer Druck gewonnen, so dass sich die erforderliche Kompressions- bzw. Pumparbeit im Kreisprozess verringert.In In both cycles, the working medium becomes convergent Vortex accelerates, and the useful work is won with a constant pressure turbine. In the downflow of the turbine becomes from the remaining flow energy recovered static pressure, so that the required Reduced compression or pumping work in the cycle.
Der höchste Druck im Kreisprozess ist phi, der niedrigste ist plo und der Druck nach Rückgewinnung der Strömungsenergie im Abstrom der Turbine ist pmid. Nur die Zustandsänderung zur Erhöhung des Druckes von pmid auf phi verbraucht Nutzarbeit. Die Abnahme der Temperatur wird durch Wärmeübertragung ausgeglichen.The highest pressure in the cycle is p hi , the lowest is p lo and the pressure after recovery of the flow energy in the downflow of the turbine is p mid . Only the change of state to increase the pressure from p mid to p hi consumes useful work. The decrease in temperature is compensated by heat transfer.
Abschnitt 4.1: EIN KREISPROZESS FÜR KOMPRESSIBLE FLUIDESection 4.1: A CIRCULAR PROCESS FOR COMPRESSIBLE FLUIDS
Ein
rechtslaufender Kreisprozess für
kompressible Fluide ist in
- 1. Z1 → Z2: Adiabat-verzögerte Kompression von pmid auf phi unter Verbrauch von Arbeit. Die Strömung wird verzögert, der Druck gesteigert und die Strömung erhält einen Drall. Die Temperatur steigt bei konstanter Entropie.
- 2. Z2 → Z3: Isobare Wärmeübertragung beim oberen Druck phi. Das spezifische Volumen nimmt zu, Entropie und Temperatur steigen. Der Strömungszustand bleibt unverändert. Im p,e-Diagramm und eu,em-Diagramm sind die Zustände 2 und 3 identisch.
- 3. Z3 → Z4: Adiabat-beschleunigende Expansion von phi auf plo innerhalb einer konvergenten Wirbelströmung. Druck und Temperatur sinken bei abnehmender Entropie. Die Strömungsgeschwindigkeit wächst, Drallenergie und Transportenergie der Strömung nehmen zu.
- 4. Z4 → Z5: Gewinnung von Nutzarbeit mit Hilfe einer Gleichdruckturbine. Im p,V-Diagramm sind die Zustände 4 und 5 identisch. Der Strömungszustand wandelt sich von drallbehafteter in drallfreie Strömung, und die Strömungsenergie sinkt bei konstantem Druck, die Entropie sinkt bei konstanter Temperatur (Anmerkung: Wie in einem Kühler).
- 5. Z5 → Z1: Adiabat-verzögerte Kompression von plo auf pmid in einem Diffusor ohne Verbrauch von Arbeit. Der Diffusor wandelt einen Teil der im Abstrom der Turbine befindlichen Strömungsenergie zurück in statischen Druck. Die Temperatur steigt mit dem Druck, die drallfreie Strömung verliert an Geschwindigkeit.
- 1. Z 1 → Z 2 : Adiabatic delayed compression of p mid to p hi with consumption of labor. The flow is delayed, the pressure increased and the flow receives a twist. The temperature increases with constant entropy.
- 2. Z 2 → Z 3 : Isobaric heat transfer at the upper pressure p hi . The specific volume increases, entropy and temperature increase. The flow state remains unchanged. In the p, e diagram and e u , e m diagram, states 2 and 3 are identical.
- 3. Z 3 → Z 4 : Adiabatic-accelerating expansion from p hi to p lo within a convergent vortex. Pressure and temperature decrease with decreasing entropy. The flow velocity increases, swirl energy and transport energy of the flow increase.
- 4. Z 4 → Z 5 : Extraction of useful work with the help of a constant pressure turbine. In the p, V diagram, states 4 and 5 are identical. The flow state changes from swirling to swirl-free flow, and the flow energy decreases at constant pressure, the entropy decreases at a constant temperature (note: as in a cooler).
- 5. Z 5 → Z 1 : Adiabatic-delayed compression of p lo to p mid in a diffuser without consumption of labor. The diffuser converts part of the flow energy downstream of the turbine back into static pressure. The temperature increases with the pressure, the swirl-free flow loses speed.
Aus dem p,V-Diagramm alleine ist ersichtlich, dass der Kreisprozess in der Lage ist Nutzarbeit an einen Verbraucher zu geben, weil er rechtslaufend und ein Teil seiner Fläche im p,V-Diagramm sichtbar ist. Der eigentliche isobare Arbeitsprozess ist im pV-Diagramm aber nicht zu sehen, weil die Zustände 4 und 5 im p,V-Diagramm identisch sind. Ohne die Darstellung der dynamischen Größen im p,e-Diagramm und eu,em-Diagramm ist nicht zu erkennen, dass und warum der Prozess in der Lage ist Nutzarbeit zu liefern, denn zwei Kanten dieses Kreisprozesses stehen im Zustandsraum senkrecht zueinander, und die Fläche des Kreisprozesses ist im Zustandsraum in sich verdreht.From the p, V diagram alone, it can be seen that the cyclic process is able to give useful work to a consumer because it is visible clockwise and part of its area is visible in the p, V diagram. However, the actual isobaric work process can not be seen in the pV diagram because states 4 and 5 in the p, V diagram are identical. Without the representation of the dynamic quantities in the p, e-slide gram and e u , e m diagram can not be seen that and why the process is able to provide useful work, because two edges of this cycle process are perpendicular to each other in the state space, and the surface of the cycle is twisted in the state space in itself.
Abschnitt 4.2: EIN KREISPROZESS FÜR INKOMPRESSIBLE FLUIDESection 4.2: A CIRCULAR PROCESS FOR INCOMPRESSIBLE FLUIDS
Ein
rechtslaufender Kreisprozess für
inkompressible Fluide ist in
- 1. Z1 → Z2: Adiabat-verzögerte Kompression von pmid auf phi unter Verbrauch von Arbeit. Die Strömung wird verzögert, der Druck gesteigert und die Strömung erhält einen Drall. Temperatur und Entropie bleiben konstant.
- 2. Z2 → Z3: Isobare Wärmeübertragung beim oberen Druck phi. Das Volumen bleibt (fast) gleich, Entropie und Temperatur steigen. Der Strömungszustand bleibt unverändert. Im p,e-Diagramm und eu,em-Diagramm sind die Zustände 2 und 3 identisch.
- 3. Z3 → Z4: Adiabat-beschleunigende Expansion von phi auf plo innerhalb einer konvergenten Wirbelströmung. Druck und Temperatur sinken bei abnehmender Entropie. Die Temperaturänderung ist aber sehr, sehr klein. Die Strömungsgeschwindigkeit wächst, Drallenergie und Transportenergie der Strömung nehmen zu.
- 4. Z4 → Z5: Gewinnung von Nutzarbeit mit Hilfe einer Gleichdruckturbine. Im p,V-Diagramm sind die Zustände 4 und 5 identisch. Der Strömungszustand wandelt sich von drallbehafteter in drallfreie Strömung, und die Strömungsenergie sinkt bei konstantem Druck, die Entropie sinkt bei konstanter Temperatur (Anmerkung: Wie in einem Kühler).
- 5. Z5 → Z1: Adiabat-verzögerte Kompression von plo auf pmid in einem Diffusor ohne Verbrauch von Arbeit. Der Diffusor wandelt einen Teil der im Abstrom der Turbine befindlichen Strömungsenergie zurück in statischen Druck. Die Temperatur bleibt gleich, die drallfreie Strömung verliert Geschwindigkeit.
- 1. Z 1 → Z 2 : Adiabatic delayed compression of p mid to p hi with consumption of labor. The flow is delayed, the pressure increased and the flow receives a twist. Temperature and entropy remain constant.
- 2. Z 2 → Z 3 : Isobaric heat transfer at the upper pressure p hi . The volume remains (almost) the same, entropy and temperature increase. The flow state remains unchanged. In the p, e diagram and e u , e m diagram, states 2 and 3 are identical.
- 3. Z 3 → Z 4 : Adiabatic-accelerating expansion from p hi to p lo within a convergent vortex. Pressure and temperature decrease with decreasing entropy. The temperature change is very, very small. The flow velocity increases, swirl energy and transport energy of the flow increase.
- 4. Z 4 → Z 5 : Extraction of useful work with the help of a constant pressure turbine. In the p, V diagram, states 4 and 5 are identical. The flow state changes from swirling to swirl-free flow, and the flow energy decreases at constant pressure, the entropy decreases at a constant temperature (note: as in a cooler).
- 5. Z 5 → Z 1 : Adiabatic-delayed compression of p lo to p mid in a diffuser without consumption of labor. The diffuser converts part of the flow energy downstream of the turbine back into static pressure. The temperature remains the same, the swirl-free flow loses speed.
Im Vergleich zum Kreisprozess für kompressible Fluide degeneriert dieser Kreisprozess im p,V-Diagramm zu einer Linie auf einer Isochoren V = const. Im T,S-Diagramm degeneriert der Prozess zu einem Dreieck, aber die Darstellungen der dynamischen Zustandsvariablen bleiben unverändert.in the Comparison to the cycle for Compressible fluids degenerate this cycle in the p, V diagram to a line on an isochore V = const. Degenerated in the T, S-diagram the process becomes a triangle, but the representations of the dynamic State variables remain unchanged.
Mit statischen Kreisprozessen ist es also unmöglich, Nutzarbeit ohne die Gasphase alleine aus inkompressiblen Fluiden zu gewinnen, weil die Fläche des Kreisprozesses im p,V-Diagramm dann zu einer Linie degeneriert. Hier wird der wesentliche Vorteil dynamischer Kreisprozesse sichtbar, denn mit ihnen ist es möglich die innere Energie von flüssigem Wasser technisch direkt nutzbar zu machen.With Thus, static cycle processes make it impossible to do useful work without the Gas phase alone from incompressible fluids to win, because the area of the circular process in the p, V diagram then degenerates to a line. Here, the essential advantage of dynamic cycles becomes visible, because with them it is possible the internal energy of liquid water technically usable directly.
Die in beiden Kreisprozessen dargestellte Wärmeübertragung kann entfallen, wenn das Fluid direkt mit der Umgebung ausgetauscht wird, und die Erneuerung der inneren Energie des Arbeitsmediums außerhalb des Kreisprozesses durch Wärmeübertragung in der Umgebung erfolgt.The Heat transfer shown in both cycles can be omitted, when the fluid is exchanged directly with the environment, and the renewal the internal energy of the working medium outside the cycle by heat transfer done in the area.
Abschnitt 4.3: SYSTEMUMGEBUNGSection 4.3: SYSTEM ENVIRONMENT
Die
Systemumgebung ist für
die Planung von dynamischen Kreisprozessen und die Auslegung von Maschinen
wichtig. Neben der Entscheidung über
die Art des Arbeitsmediums ist die Lage des Umgebungsdruckes p0 im Vergleich zu den Druckwerten der Kreisprozesse
wesentlich. Wie in
- 1. Der tiefste Druck des Kreisprozesses liegt über dem Umgebungsdruck. Dieses ist ein Hochdruckprozess, der nur in einem Druckbehälter ausgeführt werden kann. Ein Austausch des Mediums mit der Umgebung ist nur mit einer zusätzlichen Pumpe möglich. Bei kompressiblen Medien kann die Energiedichte und damit die Leistung einer Maschine gesteigert werden. Bei inkompressiblen Medien kann die Kavitationsgefahr vermindert werden. Solche Maschinen können aber auch im Vakuum oder im Weltraum eingesetzt werden.
- 2. Der tiefste Druck des Kreisprozesses ist gleich dem Umgebungsdruck. Dieses ist ein Überdruckprozess, der ebenfalls einen Druckbehälter erfordert. Allerdings kann eine Maschine offen ausgeführt werden und stets Arbeitsmedium mit der Umgebung austauschen. Die Wärmeübertragung kann dann außerhalb der Maschine in der Umgebung erfolgen.
- 3. Der mittlere Druck des Kreisprozesses ist gleich dem Umgebungsdruck. Dieses ist ein neutraler Prozess und die Maschine kann stets Arbeitsmedium mit der Umgebung austauschen. Eine offene Maschine mit Luft als Arbeitsmedium kann dann prinzipiell unbegrenzt lange laufen. Bei einer offenen Maschine mit Wasser als Arbeitsmedium steigt die Kavitationsgefahr.
- 4. Der obere Druck des Kreisprozesses ist gleich dem Umgebungsdruck. Dieses ist ein Unterdruckprozess, der besonders zur Förderung von Flüssigkeiten und Gasen geeignet ist.
- 5. Der obere Druck des Kreisprozesses liegt unter dem Umgebungsdruck. Dieses ist ein Tiefdruckprozess, mit dem man ein Vakuum aufbauen und aufrechterhalten kann. Ein Austausch des Arbeitsmediums mit der Umgebung ist nur mit einer zusätzlichen Pumpe möglich.
- 1. The lowest pressure of the cycle is above ambient pressure. This is a high pressure process that can only be done in a pressure vessel. An exchange of the medium with the environment is only possible with an additional pump. With compressible media, the energy density and thus the performance of a machine can be increased. Incompressible media can reduce the risk of cavitation. Such machines can also be used in vacuum or space.
- 2. The lowest pressure of the cycle is equal to the ambient pressure. This is an overpressure process that also requires a pressure vessel. However, a machine can be run open and always exchange working fluid with the environment. The heat transfer can then take place outside the machine in the environment.
- 3. The mean pressure of the cycle is equal to the ambient pressure. This is a neutral process and the machine can always exchange working fluid with the environment. An open machine with air as the working medium can then in principle run indefinitely. An open machine with water as the working medium increases the risk of cavitation.
- 4. The upper pressure of the cycle is equal to the ambient pressure. This is a vacuum process, which is particularly suitable for the conveyance of liquids and gases.
- 5. The upper pressure of the cyclic process is below the ambient pressure. This is a gravure process that allows you to build a vacuum and can sustain. An exchange of the working medium with the environment is only possible with an additional pump.
Abschnitt 5: VORRICHTUNGENSection 5: DEVICES
Die Möglichkeiten zur Realisierung von Vorrichtungen zur Umsetzung dynamischer Kreisprozesse sind so vielfältig wie die Möglichkeiten der Gestaltung dieser Kreisprozesse an sich. Trotzdem müssen „optimale" erfindungsgemäße Vorrichtungen zur Umsetzung der erfindungsgemäßen Verfahren wenige gemeinsame Merkmale besitzen.
- 1. Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen müssen die Nutzarbeit mittels einer Gleichdruckturbine in einem adiabat-isobaren Arbeitsprozess gewinnen. Bei einer Gleichdruckturbine ist die Umfangsgeschwindigkeit der Strömung an der Druckkante des Laufrades doppelt so groß wie die Umfangsgeschwindigkeit der Druckkante, und der Reaktionsgrad der Turbine ist null (Sigloch: „Strömungsmaschinen", Hanser Verlag 1993, 2. Auflage, Seite 95).
- 2. Die Beschleunigung des Arbeitsmediums vor der Turbine muss in einer Düse erfolgen, vorzugsweise mittels einer konvergenten Wirbelströmung.
- 3. Im Abstrom der Turbine muss eine Druckrückgewinnung mittels eines Diffusors erfolgen.
- 4. Zwischen dem Austritt aus dem Diffusor und dem Eintritt in die Düse muss das Arbeitsmedium durch eine Pumpe gefördert werden, deren Antriebsarbeit direkt oder indirekt aus der Turbinenarbeit stammt.
- 5. Die Differenz aus Turbinenarbeit und Pumpenarbeit wird an einen externen Verbraucher gegeben.
- 6. Das Arbeitsmedium wird innerhalb oder außerhalb der Vorrichtung während ihres Betriebes oder nach Beendigung wieder erwärmt.
- 7. Das Arbeitsmedium zirkuliert in der Vorrichtung oder es wird regelmäßig mit der Umgebung ausgetauscht und so erneuert.
- 1. The devices of the invention must gain the useful work by means of a constant pressure turbine in an adiabatic-isobaric work process. In a constant pressure turbine, the peripheral speed of the flow at the pressure edge of the impeller is twice as large as the peripheral speed of the pressure edge, and the degree of reaction of the turbine is zero (Sigloch: "Turbomachinery", Hanser Verlag 1993, 2nd edition, page 95).
- 2. The acceleration of the working medium in front of the turbine must be done in a nozzle, preferably by means of a convergent vortex flow.
- 3. In the downstream of the turbine, a pressure recovery must be done by means of a diffuser.
- 4. Between the outlet from the diffuser and the inlet to the nozzle, the working medium must be pumped by a pump whose drive is directly or indirectly from the turbine work.
- 5. The difference between turbine work and pump work is given to an external consumer.
- 6. The working fluid is reheated inside or outside the device during its operation or after completion.
- 7. The working fluid circulates in the device or it is regularly exchanged with the environment and so renewed.
Abschnitt 6: ANWENDUNGENSection 6: APPLICATIONS
Die Anwendungen der erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen sind vielfältig:
- (1) Antrieb für den Transport von Personen und/oder Gütern,
- (2) Antrieb für den Transport von Gasen und/oder Flüssigkeiten,
- (3) Antrieb für die Änderung des Drucks von Fluiden,
- (4) Antrieb zur Erzeugung von elektrischem Strom,
- (5) Antrieb zur Entsalzung von Meerwasser,
- (6) Antrieb zur Erzeugung von Wasserstoff,
- (7) Erzeugung von Kälte zur Kühlung von Gasen, Flüssigkeiten oder Festkörpern,
- (8) Erzeugung von Kälte zur Verflüssigung von Gasen oder Dämpfen,
- (9) Erzeugung von Wärme zur Erwärmung von Gasen, Flüssigkeiten oder Festkörpern.
- (1) drive for the transport of persons and / or goods,
- (2) drive for the transport of gases and / or liquids,
- (3) drive for changing the pressure of fluids,
- (4) drive for generating electric power,
- (5) drive for desalination of seawater,
- (6) drive to generate hydrogen,
- (7) generation of cold for cooling gases, liquids or solids,
- (8) generating cold for liquefying gases or vapors
- (9) Generation of heat to heat gases, liquids or solids.
Formelzeichen:Symbols:
- az a z
- Zentrifugalbeschleunigungcentrifugal acceleration
- cc
- Betrag der absoluten StrömungsgeschwindigkeitAmount of absolute flow rate
- cu c u
- Umfangsgeschwindigkeitcircumferential speed
- cm c m
- MeridiangeschwindigkeitMeridian speed
- constconst
- Konstanteconstant
- cp c p
- spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druckspecific heat capacity at constant print
- cv c v
- spezifische Wärmekapazität bei konstantem Volumenspecific heat capacity at constant volume
- ee
- spezifische kinetische Energie: e = E/mspecific kinetic Energy: e = E / m
- eu e u
- spezifische Drallenergie einer ebenen Strömung: eu = cu 2/2specific twist energy of a planar flow: e c u = u 2/2
- em e m
- spezifische Transportenergie einer ebenen Strömung: em = cm 2/2specific transport energy of a planar flow: e m = m c 2/2
- hH
- spezifische Enthalpie h = u + pvspecific enthalpy h = u + pv
- h+ h +
- spezifische Totalenthalpiespecific total enthalpy
- h°h °
- spezifische Enthalpie des korrespondierenden Ruhezustandes (h° = h+ ; c = 0)specific enthalpy of the corresponding resting state (h ° = h + ; c = 0)
- kk
- Radienverhältnis einer ebenen Wirbelströmung: k = r1/r2 Radial ratio of a plane turbulent flow: k = r 1 / r 2
- mm
- MasseDimensions
- pp
- Druckprint
- p0 p 0
- Umgebungsdruckambient pressure
- spezifische WärmeSpecific heat
- rr
- Radius oder Abstand vom DrehzentrumRadius or distance from the turning center
- ss
- spezifische Entropiespecific entropy
- uu
- spezifische innere Energiespecific inner energy
- vv
- spezifisches Volumenspecific volume
- ww
- spezifische Arbeitspecific work
- zz
- geodätische Höhegeodesic height
- Ee
- kinetische Energiekinetic energy
- HH
- Enthalpieenthalpy
- Pi P i
- Teilprozess eines Kreisprozesses zwischen den Zuständen Zi und Zi+1 Sub-process of a cycle between the states Z i and Z i + 1
- P+ P +
- adiabater Prozess zur Erzeugung eines Bewegungszustandes aus der Ruheadiabatic process for generating a state of motion from rest
- P°P °
- adiabater Prozess zur Erzeugung des Ruhezustandes aus der Bewegungadiabatic process for generating the resting state from the movement
- SS
- Entropieentropy
- TT
- Temperaturtemperature
- UU
- Innere EnergieInner energy
- VV
- Volumenvolume
- Zi Z i
- Zustand eines Kreisprozesses zu Beginn des i-ten TeilprozessesCondition of a cycle process at the beginning of the ith sub-process
- Z+ Z +
- Bewegungszustand eines Arbeitsmediums mit c > 0Movement state of a Working medium with c> 0
- Z°Z °
- Ruhezustand eines Arbeitsmediums mit c = 0Hibernation of a Working medium with c = 0
- αα
- Absoluter StrömungswinkelAbsolute flow angle
- ρρ
- spezifische Dichtespecific density
Indizes:indices:
- 00
- Umgebungszustandenvironmental condition
- 11
- erster Zustand oder Wirbelrandfirst state or swirl edge
- 22
- zweiter Zustand oder Wirbelzentrumsecond state or vortex center
- ii
- Zählindex i = 1..nCounting index i = 1..n
- mm
- MeridianrichtungMeridian direction
- uu
- Umfangsrichtungcircumferentially
- °°
- Ruhezustand mit c = 0Idle state with c = 0
- ++
- Bewegungszustand mit c > 0Movement state with c> 0
- hiHi
- Prozesszustand mit höchstem Druck im KreisprozessProcess state with highest Pressure in the cycle process
- lolo
- Prozesszustand mit niedrigstem Druck im KreisprozessProcess state with lowest pressure in the cycle
- midmid
- Prozesszustand nach Rückgewinnung von Druck im Abstrom einer TurbineProcess state after reclamation of pressure in the effluent of a turbine
Funktionen, Operatoren und sonstige Zeichen:Functions, operators and other characters:
- lnln
- natürlicher Logarithmusnaturally logarithm
- sinsin
- SinusSine
- coscos
- Cosinuscosine
- tantan
- Tangenstangent
- →→
- Teilprozess zwischen zwei Zuständen Pi = Zi → Zi+1 Sub-process between two states P i = Z i → Z i + 1
- ==
- Gleichheitszeichenequal sign
- //
- Divisiondivision
- >>
- größer alsgreater than
- <<
- kleiner alsless than
- ≥≥
- größer oder gleichgreater or equal
- Σ xi Σ x i
- Summe aller Werte xi, i = 1..nSum of all values x i , i = 1..n
- xn x n
- x hoch Exponent nx high exponent n
- dxdx
- Differential der Größe xDifferential of size x
- dx/dydx / dy
- Ableitung der Größe x nach der Größe yDerivation of the size x after the size y
- ΔxAx
- Differenz der Größe x zwischen zwei Zuständen 1 und 2: dr = x2 – x1 Difference of size x between two states 1 and 2: dr = x 2 - x 1
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PL344324A1 (en) * | 2000-12-06 | 2002-06-17 | Jerzy Zdzislaw Hinczewski | Closed cycles operative in a three-component energy generating systems in particular those consisting of: isoenergetistic steam power station condenser, power amplifier operative during compression of gases and internal combustion engine fuel replacing thermodynamic source |
DE10212752A1 (en) * | 2002-03-20 | 2003-10-23 | Guenter Krause | Energy generator consists primarily of rotary piston compressor, rotary piston engine, heat exchanger and various accessories, can work continuously after single energy input (battery charge) |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102016218583A1 (en) * | 2016-09-27 | 2017-05-11 | Continental Automotive Gmbh | Method for controlling an internal combustion engine and control unit for such an internal combustion engine |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: ZIEGLER, MARTIN, DR., STEINEN, CH |
|
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |