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Die
Erfindung betrifft eine thermodynamische Maschine der im Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.
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Zur
Erzeugung des Druckgefälles
für den
Betrieb einer Wärmekraftmaschine
wurden Dampfstrahler bisher nicht verwendet und dienten nur als
Hilfsaggregate in Dampfprozessen, z. B. als Speisewasserpumpe (Injektor)
oder zur Entlüftung.
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Im
Gegensatz zu dieser Praxis beschreibt die vorliegende Erfindung
eine Wärmekraftmaschine, welche
mit einem Niederdruck-Dampfstrahler ein Druckgefälle erzeugt in der Umgebungsluft,
um mit dieser eine Turbine vor dem Dampfstrahler anzutreiben.
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Der
Niederdruck-Dampfstrahler erzeugt das benötigte Druckgefälle durch
Mischung kalter Luft mit warmer Luft. Die Temperaturen von kalter
und warmer Luft brauchen nur weniger als 10°C voneinander verschieden zu
sein.
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Die
Erzeugung kalter bzw. warmer Luft geschieht, indem Umgebungsluft – auf vorzugsweise natürliche Art – entweder
gekühlt
wird, z. B. durch einen Erdwärmetauscher,
Verdunstung von Wasser, etc. oder erwärmt wird, z. B. durch einen
Erdwärmetauscher.
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Bei
Einsatz einer solchen Kombination aus Dampfstrahler und Turbine
als Wärmekraftmaschine wird
folgendes Problem gelöst,
welches zu seiner Lösung
der Erfindung bedarf, die im Patentanspruch 1 angegeben ist:
Das
thermische Energiereservoir der Umgebungsluft ist groß, aber
mit herkömmlicher
Technik kaum nutzbar.
Die Erfindung ermöglicht Nutzung der Umgebungsluft
in großem
Maß, dezentral
und an fast jedem Ort, unabhängig
von Wind und Tageszeit. Das thermische Energiepotenzial der Umgebungsluft
wird so einer großen
Nutzerschaft erschlossen.
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Weitere
wesentliche vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
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Neu
und nützlich
an dieser Erfindung ist, dass erfindungsgemäße Wärmekraftmaschinen gegenüber herkömmlichen
Kraftmaschinen
- – ausschließlich Luft nutzen können, ohne
auf Wind oder windreiche Standorte angewiesen zu sein, wie dies
bei Windkraftanlagen der Fall ist,
- – extrem
geringe Temperatur-Unterschiede der Luft bis zu weniger als 10°C nutzen
können,
welche auf natürliche
Weise generierbar sind, d. h. unter Entropiezunahme von selbst entstehen, ohne
auf Sonnenlicht, Biomasse oder nicht erneuerbare Wärmequellen
angewiesen zu sein, wie dies bei Stirlingmotoren und selbst noch
bei Niedertemperatur-Wärmekraftmaschinen
der Fall ist,
- – außer Wälzlagern
von langer Lebensdauer keine Verschleißteile aufweisen.
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Die
Kombination dieser Eigenschaften macht erfindungsgemäße Wärmekraftmaschinen
besonders geeignet für
massenhaften, dezentralen Einsatz, v. a. zur Stromerzeugung.
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Eine
erfindungsgemäße Ausführung einer Wärmekraftmaschine,
welche kalte und warme Luft von geringem Temperatur-Unterschied
nutzt, wird nachfolgend anhand eines Ausführungs-Beispiels erläutert, von
dem die Zeichnungen 1, 2 und 3 Prinzip-Darstellungen
sind.
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In 1 ist
grob schematisch im Vertikalschnitt die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine 1 dargestellt,
bestehend aus einem einheitlichen, zusammenhängenden Bauteil in Form eines
Rotors,
- – mit
axialer Kaltluftzufuhr über
die Axialturbine 2,
- – mit
radialer Warmluftzufuhr über
die Radialturbine 3,
- – mit
der Treibdüse 4 für die Warmluft,
der Mischdüse 5 und
dem Diffusor 6,
sowie aus der nicht zum Rotor
gehörenden
Abtriebswelle 7.
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Hinter
den Schaufeln der Axialturbine 2 und in deren Strömungskanal
geht die Radialturbine 3 über in die Treibdüse 4.
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Mit
atmosphärischem
Druck in die Radialturbine 3 eintretende Warmluft durchströmt die Radialturbine 3,
wird darin unter Abnahme von Druck, Dichte und Temperatur beschleunigt
und tritt in die Treibdüse 4 ein,
welche durch Verringerung ihres Querschnitts die Warmluft zusätzlich beschleunigt,
unter weiterer Abnahme von Druck, Dichte und Temperatur.
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Der
Querschnitt am Austritt der Treibdüse 4 beträgt ca. 1%
des Einlassquerschnitts der Radialturbine 3.
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Infolge
dieser Querschnittsverringerung wird die Strömung der Warmluft vom Eintritt
in die Radialturbine 3 bis zum Austritt aus der Treibdüse 4 beschleunigt
auf ein Vielfaches ihrer Anfangsgeschwindigkeit, trotz Wandreibung
und innerer Reibung, unter Zunahme der kinetischen Energie der Warmluft.
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Das
die Beschleunigung der Warmluft verursachende Druckgefälle kommt
zustande durch das Zusammentreffen der Warmluft mit der Kaltluft
unter Volumenabnahme der Warmluft in der Mischdüse 5, deren Querschnitt
größer ist
als der Austritts-Querschnitt der Treibdüse 4.
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Die
mit atmosphärischem
Druck in die Axialturbine 2 eingetretene Kaltluft wird
nach geringer Druckminderung infolge Arbeitsabgabe in der Axialturbine 2 in
die Mischdüse 5 gesaugt
durch den Unterdruck der beschleunigt aus der Treibdüse 4 hervortretenden
Warmluft.
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Paradoxerweise
liegt die Temperatur der Warmluft bei Austritt aus der Treibdüse 4 vorübergehend
unter der Temperatur der aus der Axialturbine 2 kommenden
Kaltluft, wenn auch der Energiegehalt der Warmluft größer ist
wegen ihrer großen
kinetischen Energie. Die anfänglichen
Bezeichnungen „Warmluft" und „Kaltluft" werden deshalb nachfolgend
ersetzt durch die Bezeichnungen „Treibstrahl" und „Schleppstrahl".
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Im
Verlauf der Mischung von Treibstrahl und Schleppstrahl in der Mischdüse 5 wird
der Schleppstrahl durch die kinetische Energie des Treibstrahls beschleunigt.
Die Bezeichnung „Treibstrahl" ist aus diesem Vorgang
abgeleitet.
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Weil
der Querschnitt der Mischdüse 5 größer ist
als der Querschnitt der Treibdüse 4,
verlangsamt sich der Treibstrahl in der Mischdüse 5 unter erheblichem
Druckanstieg. Dieser Druckanstieg bewirkt, dass die Temperatur des
Treibstrahls zunimmt, obwohl dieser gleichzeitig an den Schleppstrahl
Wärme abgibt.
Infolge Erwärmung
dehnt sich der Schleppstrahl unter Druckerhöhung aus.
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Das
Gemisch aus Treibstrahl und Schleppstrahl nimmt in der Mischdüse 5 eine
mittlere Temperatur und Dichte an, die jeweils zwischen den ursprünglichen
Ausgangswerten von Warmluft und Kaltluft vor deren Eintritt in die
Wärmekraftmaschine 1 liegen.
Außerdem
nimmt dieses Gemisch eine mittlere Geschwindigkeit an, ebenso einen
mittleren Druck, welcher in der Mischdüse 5 noch unter dem atmosphärischen
Druck liegt.
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Erst
nachdem das Luftgemisch in den Diffusor 6 gelangt, nimmt
es unter Geschwindigkeitsabnahme wieder atmosphärischen Druck an durch Querschnitterweiterung
des Diffusors 6.
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Der
Diffusor 6 übergibt
das Luftgemisch bei einem Druck, welcher geringfügig höher ist als der atmosphärische Druck,
an die Atmosphäre.
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2 zeigt
Vertikalschnitte quer zur Drehachse durch die Axialturbine 2,
durch die Radialturbine 3, durch die Treibdüse 4,
durch die Mischdüse 5 und
durch den Diffusor 6.
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Die
Wärmekraftmaschine 1 ist
nicht selbststartend, sondern muss auf eine geringe Mindest-Anfangsdrehzahl
gebracht werden mittels eines Anlassermotors, bevor sie Leistung
abgibt.
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Die
Ansaugung von Warmluft durch die Radialturbine 3 und die
Treibdüse 4,
aus welcher wiederum der Treibstrahl in die Mischdüse 5 gesaugt
wird, bewirkt in der Radialturbine 3 eine Luftströmung, durch
welche die Radialturbine 3 angetrieben wird. Die Ansaugung
von Kaltluft durch die Axialturbine 2, aus welcher wiederum
die Kaltluft vom Unterdruck des Treibstrahl herausgesaugt wird,
bewirkt eine Luftströmung,
durch welche die Axialturbine 2 angetrieben wird.
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Die
Luftströmungen
in Axialturbine 2 und Radialturbine 3 erzeugen
eine in Umfangsrichtung auf die Axialturbine 2 und die
Radialturbine 3 wirkende Kraft in, welche die Wärmekraftmaschine 1 in
Rotation versetzt und befähigt,
mechanische Energie abzugeben über
die Abtriebswelle 7.
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Die
Axialturbine 2 kann als Radialturbine gestaltet sein und
die Radialturbine 3 kann als Axialturbine gestaltet sein.
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Beide
Turbinen können
nebeneinander oder koaxial angeordnet sein, die Axialturbine vor
oder hinter der Radialturbine bzw. in der Radialturbine oder um
diese herum. Wichtig ist, dass die anfangs warme Luft, aber nicht
die anfangs kalte Luft durch die Treibdüse 4 strömt.
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Die
Treibdüse 4 wird
durch Abkühlung
des Treibstrahls kalt, so dass an der Außenseite der Treibdüse 4 im
Schleppstrahl Kondensat entsteht. Auf diese Weise kann aus der Umgebungsluft
Wasser gewonnen werden.
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Ein
weiterer Vorteil der Kondensat-Bildung an der Außenseite der Treibdüse 4 besteht
darin, dass der Treibstrahl durch die Latentwärme des Schleppstrahls erwärmt wird,
auf diese Weise seine Enthalpie erhöht und die Leistung der Wärmekraftmaschine 1 steigert.
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Um
die Kondensat-Bildung an der Außenseite
der Treibdüse 4 zu
fördern,
kann deren Wand hinsichtlich Dicke, Material und Gestalt an diesen
Zweck angepasst werden.
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Sinnvoll
ist auch, alternativ oder zusätzlich zur
Kondensat-Gewinnung an der Außenseite
der Treibdüse 4,
deren Wand hohl zu gestalten und mit einer Flüssigkeit zu füllen, die über einen
an der Außenseite
der Wärmekraftmaschine 1 angebrachten Wärmetauscher
entweder durch natürlich
vorkommende Umgebungswärme
oder künstlich
erwärmt wird,
z. B. durch Abwärme.
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Abwärme in Form
warmer Raumluft, z. B. von Bürogebäuden oder
Fabrikhallen, kann als Treibstrahl verwendet werden und bietet so
die Möglichkeit,
ihre thermische Energie nicht nur thermisch zu nutzen durch Wärmerückgewinnung
wie bisher, sondern in mechanische Energie umzuwandeln.
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Als
Treibstrahl kommt auch die warme feuchte Abluft von Nasskühltürmen in
Betracht. Weil diese Luft mit Wasserdampf gesättigt oder nahezu gesättigt ist,
kondensiert der in ihr enthaltene Wasserdampf teilweise in der Mischdüse 5 beim
Zusammentreffen mit kalter Luft.
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Der
kondensierende Wasserdampf erhöht durch
das nahezu vollständige
Verschwinden eines Teils seines Volumens das Druckgefälle zwischen der
Mischdüse 5 und
dem atmosphärischen
Druck der Umgebung und erhöht
auf diese Weise die Leistung der Wärmekraftmaschine 1.
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1
- 1
- Wärmekraftmaschine
- 2
- Axialturbine
- 3
- Radialturbine
- 4
- Treibdüse
- 5
- Mischdüse
- 6
- Diffusor
- 7
- Abtriebswelle
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2
- A
- Querschnitt
durch die Axialturbine 2
- B
- Querschnitt
durch die Radialturbine 3
- C
- Querschnitt
durch die Treibdüse 4
- D
- Querschnitt
durch die Mischdüse 5
- E
- Querschnitt
durch den Diffusor 6