DE102008062996B3

DE102008062996B3 - Verfahren und Maschine zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Arbeit oder umgekehrt

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Publication number: DE102008062996B3
Application number: DE200810062996
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-12-23
Filing date: 2008-12-23
Publication date: 2010-04-01
Anticipated expiration: 2028-12-24

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Arbeit oder umgekehrt mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses $I1 an einem System mit einem kompressiblen Arbeitsmedium, wobei das Verfahren ausgehend von einem Anfangszustand $I2, in dem sich das Arbeitsmedium im Wesentlichen in einem thermischen Gleichgewicht mit einer Umgebung (8) des Systems befindet, zumindest nachstehende Verfahrensschritte beinhaltet: 1.1) Bewirken einer Störung $I3 des Arbeitsmediums, im Falle der Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Arbeit bei Abfuhr mechanischer Arbeit (W_V12p), wobei in dem Arbeitsmedium wenigstens ein erster Bereich (6) und wenigstens ein von dem ersten Bereich unterscheidbarer zweiter Bereich (7) definiert ist, welche mechanisch und wärmetechnisch selektiv gekoppelt sind, wobei das Arbeitsmedium in dem ersten Bereich als ein primäres Arbeitsmedium vorliegt, welches sich in wenigstens einer thermodynamischen Eigenschaft oder einem thermodynamischen Zustand von dem Arbeitsmedium in dem zweiten Bereich unterscheidet, welches als ein sekundäres Arbeitsmedium vorliegt; 1.2) insbesondere durch die Störung in dem Verfahrensschritt 1.1), Bewirken einer Temperaturdifferenz zwischen dem primären Arbeitsmedium und dem sekundären Arbeitsmedium sowie eines zumindest teilweisen Wäremübergangs zum Ausgleichen der Temperaturdifferenz $I4 zwischen dem primären Arbeitsmedium und dem sekundären Arbeitsmedium; 1.3) vorzugsweise ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Arbeit oder umgekehrt mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses sowie thermodynamische Maschinen, welche nach diesem Verfahren betrieben werden.
Aus der Thermodynamik sind Kreisprozesse als eine Abfolge von Zustandsänderungen eines Arbeitsmediums, wie einer Flüssigkeit, eines Dampfes, eines Gases oder allgemein eines Fluids, bekannt. Dabei laufen die Zustandsänderungen periodisch ab, so dass immer wieder ein Anfangszustand des thermodynamischen Systems erreicht wird, welcher sich durch bestimmte Zustandsgrößen des Arbeitsmediums auszeichnet. Zu diesen gehören unter anderem Druck, Temperatur, Enthalpie oder dergleichen. Von den Zustandsgrößen eines Kreisprozesses zu unterscheiden sind die so genannten Prozessgrößen Wärme und Arbeit, da sie nicht vom Zustand eines thermodynamischen Systems zum angegebenen Zeitpunkt sondern von seiner gesamten Vorgeschichte abhängen.
In der Technik dienen Kreisprozesse meist zur Umwandlung von thermischer Energie oder Wärme in mechanische Arbeit (rechtsläufiger Kreisprozess), beispielsweise in Verbrennungsmotoren, oder zum Heizen bzw. Kühlen durch das Aufwenden mechanischer Arbeit, beispielsweise in Wärmepumpen oder beim Kühlschrank (linksläufiger Kreisprozess).
Um die Effizienz verschiedener Kreisprozesse vergleichen zu können, lässt sich der Wirkungsgrad einer thermodynamischen Maschine definieren, beispielsweise indem eine bei einer Wärmekraftmaschine zur Verfügung stehende Nutzarbeit ins Verhältnis gesetzt wird zu der im Prozessverlauf insgesamt zuzuführenden Wärme.
Die DE 10 2007 026 699 B3 , die DE 43 07 526 C2 und die DE 25 24 479 C2 zeigen verschiedene Kolbenmaschinen mit thermodynamischen Kreisprozessen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art und eine entsprechende thermodynamische Maschine zu entwickeln, welche sich durch einen besonders günstigen Wirkungsgrad auszeichnen. Dabei existieren natürlich gewisse Grenzen, da es aus Gründen der Energiehaltung prinzipiell nicht möglich ist, beispielsweise eine Wärmekraftmaschine mit einem Wirkungsgrad > 1 zu konstruieren.
Die Erfindung löst die Aufgabe durch ein Verfahren entsprechend dem Patentanspruch 1, durch eine thermodynamische Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 28 und durch eine Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 33. Vorteilhafte Weiterbildungen sind jeweils Gegenstand von Unteransprüchen, deren Wortlaut hiermit durch ausdrückliche Bezugnahme in die Beschreibung aufgenommen wird, um unnötige Textwiederholungen zu vermeiden.
Erfindungsgemäß vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Arbeit oder umgekehrt mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses an einem System mit einem kompressiblen Arbeitsmedium, wobei das Verfahren ausgehend von einem Anfangszustand, in dem sich das Arbeitsmedium im Wesentlichen in einem thermischen Gleichgewicht mit einer Umgebung des Systems befindet, zumindest nachstehende Verfahrensschritte beinhaltet:

1.1) Bewirken einer Störung des Systems, im Falle der Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Arbeit bei Abfuhr mechanischer Arbeit, wobei in dem Arbeitsmedium wenigstens ein erster Bereich und wenigstens ein von dem ersten Bereich unterscheidbarer zweiter Bereich definiert ist, welche mechanisch und wärmetechnisch selektiv gekoppelt sind, wobei das Arbeitsmedium in dem ersten Bereich als ein primäres Arbeitsmedium vorliegt, welches sich in wenigstens einer thermodynami schen Eigenschaft oder einem thermodynamischen Zustand von dem Arbeitsmedium in dem zweiten Bereich unterscheidet, welches als ein sekundäres Arbeitsmedium vorliegt;
1.2) insbesondere durch die Störung in dem Verfahrensschritt 1.1), Bewirken einer Temperaturdifferenz zwischen dem primären Arbeitsmedium und dem sekundären Arbeitsmedium sowie eines zumindest teilweisen Wärmeübergangs zum Ausgleichen der Temperaturdifferenz zwischen dem primären Arbeitsmedium und dem sekundären Arbeitsmedium;
1.3) Bewirken einer Zufuhr thermischer Energie, insbesondere aus der Umgebung, zu mindestens einem der beiden Arbeitsmedien;
1.4) Rückführen des Systems im Wesentlichen in seinen Anfangszustand, im Falle der Umwandlung von mechanischer Arbeit in thermische Energie bei Abgabe thermischer Energie durch das gemäß dem Verfahrensschritt 1.3) andere der beiden Arbeitsmedien;
1.5) gegebenenfalls Wiederholen der vorgenannten Verfahrensschritte 1.1)–1.4).

Eine erste erfindungsgemäße thermodynamische Maschine zum Umwandeln von thermischer Energie in mechanische Arbeit (Wärmekraftmaschine) mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren umfasst gemäß Patentanspruch 28 einen ersten Bereich, der das primäre Arbeitsmedium enthält, und einen zweiten Bereich, der das sekundäre Arbeitsmedium enthält, wobei die Bereiche mechanisch und wärmetechnisch selektiv gekoppelt sind, so dass zwischen den Bereichen zumindest phasenweise ein ausgleichender, insbesondere masseloser Wärmeübergang ermöglicht ist, wobei in Wirkverbindung mit dem ersten Bereich und/oder dem zweiten Bereich Mittel zum Abführen der mechanischen Arbeit vorgesehen sind, und wobei der zweite Bereich und/oder der erste Bereich zum zumindest phasenweisen Aufnehmen von Wärme aus der Umgebung und/oder von einer zusätzlichen Wärmequelle ausgebildet ist.
Eine zweite erfindungsgemäße thermodynamische Maschine zum Umwandeln von mechanischer Arbeit in thermische Energie mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses nach dem erfindungsgemäßen Verfahren umfasst:

– eine Störeinrichtung, insbesondere mit einem innen konturierten Rohrabschnitt, zum Bewirken der Störung gemäß dem Verfahrensschritt 1.1), insbesondere beim Einleiten des Arbeitsmediums in die Störeinrichtung, so dass sich in dem Arbeitsmedium der erste Bereich und der zweite Bereich ausbilden, welche mechanisch und wärmetechnisch selektiv gekoppelt sind, wobei das Arbeitsmedium in dem ersten Bereich als das primäre Arbeitsmedium vorliegt, welches sich in wenigstens einer thermodynamischen Eigenschaft oder einem thermodynamischen Zustand von dem sekundären Arbeitsmedium in dem zweiten Bereich unterscheidet;
– eine Einrichtung, insbesondere diejenige zum Bewirken der Störung, zum Bewirken einer Temperaturdifferenz zwischen dem primären Arbeitsmedium und dem sekundären Arbeitsmedium sowie eines zumindest teilweisen Wärmeübergangs zum Ausgleichen der Temperaturdifferenz zwischen dem primären Arbeitsmedium und dem sekundären Arbeitsmedium;
– eine Einrichtung zum Bewirken einer Zufuhr thermischer Energie, insbesondere aus der Umgebung, zu einem der beiden Arbeitsmedien;
– eine Rückführeinrichtung zum Rückführen des Systems im Wesentlichen in seinen Anfangszustand bei Abgabe thermischer Energie durch das andere der beiden Arbeitsmedien.

Die vorstehend genannte Einrichtung zum Bewirken der Zufuhr thermischer Energie kann eine Trenneinrichtung zum wärmetechnischen Trennen der beiden Bereiche umfassen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich in neuartiger Weise insbesondere dadurch aus, dass es mit einem primären Arbeitsmedium und mit einem sekundären Arbeitsmedium arbeitet, wobei die beiden Arbeitsmedien selektiv thermodynamisch, d. h. mechanisch und wärmetechnisch Wechselwirken.
Das primäre Arbeitsmedium und das sekundäre Arbeitsmedium müssen in diesem Zusammenhang nicht als getrennte und/oder chemisch-molekular unterscheidbare Arbeitsmedien vorliegen. Insbesondere kann im Anfangszustand des erfindungsgemäßen Verfahrens ein einziges, homogenes Arbeitsmedium vorliegen, in welchem sich erst durch die Störung gemäß dem Verfahrensschritt 1.1) bestimmte, zeitlich und/oder räumlich unterscheidbare Bereiche ausbilden, in denen das Arbeitsmedium dann als primäres bzw. sekundäres Arbeitsmedium vorliegt, wobei sich das primäre Arbeitsmedium und das sekundäre Arbeitsmedium in wenigstens einer thermodynamischen Eigenschaft oder einem thermodynamischen Zustand unterscheiden, d. h. es liegt eine entsprechende Phasengrenze vor. Im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht das Arbeitsmedium somit in Folge der Störung aus mindestens zwei Arbeitsmedien unterschiedlicher Eigenschaft, wozu es auch ausreicht, wenn zu diesem Zeitpunkt die Eigenschaften der Medien sich allein dadurch unterscheiden, dass durch wenigstens eine Zustandsänderung ein Zustandsunterschied zwischen den Medien erzeugt wurde.
Bei der genannten Zustandsänderung muss es sich um keine rein klassische, einfache Zustandsänderung handeln. Vielmehr kann diese auch aus mehreren zeitlich und/oder räumlich kombinierten, interaktiven Zustandsänderungen gebildet sein, welche miteinander in Wechselwirkung stehen. Solche kombinierten Zustandsänderungen entsprechen also klassischen Zustandsänderungen (z. B. rein isentropen Zustandsänderungen), welche parallel und interaktiv ablaufen.
Der weiter oben eingeführte Begriff „selektiv” bedeutet im Kontext dieser Beschreibung, dass die genannte Wechselwirkung nicht dauerhaft, ständig und/oder unkontrolliert erfolgt, sondern dass bestimmte aktive und/oder passive Steuerungsmechanismen vorgesehen sind, um die genannte Wechselwirkung gezielt zu ermöglichen bzw. zu unterbinden.
In einfachster Weise erfolgt die genannte selektive Wechselwirkung zwischen den Arbeitsmedien dadurch, dass sich Druckänderungen des einen Arbeitsmediums selektiv auf den Druck bzw. das Volumen des jeweils anderen Arbeitsmediums auswirken, dass also beispielsweise das eine Arbeitsmedium komprimiert wird, wenn sich das andere Arbeitsmedium ausdehnt. Andere thermodynamische Wechselwirkungen zwischen den Arbeitsmedien sind in diesem Zusammenhang beispielsweise der Wärmeübergang von einem Medium auf das andere oder dergleichen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich nun durch bestimmte Verfahrensschritte aus, auf die weiter oben bereits hingewiesen wurde. Es wird eine Störung des Systems, das heißt des kompressiblen Arbeitsmediums bewirkt, welche im Falle der Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Arbeit mit einer Abfuhr mechanischer Arbeit einhergeht, die zumindest teilweise nutzbar ist, beispielsweise um eine weitere Maschine anzutreiben oder um mittels eines Generators eine Umwandlung in elektrische Energie vorzunehmen. In diesem Zusammenhang ist in dem Arbeitsmedium wenigstens ein erster Bereich und wenigstens ein von dem ersten Bereich unterscheidbarer zweiter Bereich definiert, welche mechanisch und wärmetechnisch selektiv gekoppelt sind. Im Zuge der Realisierung einer Maschine, welche zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist, können die genannten Bereiche bereits anfänglich als volumetrisch getrennte, unterscheidbare Bereiche vorliegen. Im Falle einer Strömungsmaschine ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich, dass die genannten Bereiche sich erst in Folge der Störung in dem bzw. aus dem anfänglich einheitlichen/homogenen Arbeitsmedium ausbilden.
Erfindungsgemäß liegt dann das Arbeitsmedium in dem ersten Bereich als so genanntes primäres Arbeitsmedium vor, welches sich in wenigstens einer thermodynamischen Eigenschaft oder einem thermodynamischen Zustand von dem Arbeitsmedium in dem zweiten Bereich unterscheidet, welches als ein so genanntes sekundäres Arbeitsmedium vorliegt. Es ist in dem Zusammenhang – wie gesagt – nicht zwingend erforderlich, dass sich das primäre Arbeitsmedium und das sekundäre Arbeitsmedium chemisch-molekular unterscheiden, solange der angesprochene Unterschied im Bezug auf wenigstens eine thermodynamische Eigenschaft oder einen thermodynamischen Zustand gegeben ist.
Ein weiterer Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet das Bewirken einer Temperaturdifferenz zwischen dem primären Arbeitsmedium und dem sekundären Arbeitsmedium sowie eines zumindest teilweisen Wärmeübergangs zum Ausgleichen dieser Temperaturdifferenz. Das Entstehen der Temperaturdifferenz kann insbesondere durch die Störung gemäß dem Verfahrensschritt 1.1) bewirkt sein. Die physikalischen Vorgänge zum Bewirken der Temperaturdifferenz bzw. des ausgleichenden Wärmeübergangs können zeitlich parallel ablaufen. Das Vorliegen eines nur teilweisen Wärmeübergangs zum Ausglei chen der Temperaturdifferenz stellt ein Beispiel für die genannte Selektivität der Wechselwirkung zwischen den Arbeitsmedien dar.
Erfindungsgemäß erfolgt dann das Bewirken einer Zufuhr thermischer Energie, insbesondere aus der Umgebung, zu mindestens einem der beiden Arbeitsmedien. Dies kann zusätzlich mit einem wärmetechnischen Trennen der beiden Bereiche verbunden sein.
Anschließend wird das System im Wesentlichen in seinem Anfangszustand zurückgeführt, was im Falle der Umwandlung von mechanischer Arbeit in thermische Energie mit einer Abgabe thermischer Energie durch das gemäß dem Verfahrensschritt 1.3) andere der beiden Arbeitsmedien verbunden ist, das heißt durch dasjenige Arbeitsmedium, welchem im Verfahrensschritt 1.3) keine thermische Energie zugeführt wurde.
Das Aufnehmen und das Abgeben thermischer Energie lässt sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung nutzen, beispielsweise zu Kühlzwecken bzw. zu Heizzwecken.
Die vorstehend beschriebenen Verfahrensschritte des Kreisprozesses werden anschließend gegebenenfalls wiederholt, so dass der Kreisprozess fortlaufend thermische Energie in mechanische Arbeit umwandelt, oder umgekehrt.
Das System kann erfindungsgemäß entweder als geschlossenes oder als offenes System ausgebildet sein. Beim geschlossenen System impliziert das Rückführen in den Anfangszustand, dass das Arbeitsmedium auf sein anfängliches spezifisches Volumen, das heißt seinen volumetrischen Ausgangszustand zurückgeführt wird. Das spezifische Volumen wird in der Einheit m³/kg angegeben.
Eine besondere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens, welches vorstehend grundsätzlich beschrieben wurde, sieht vor, dass das Verfahren technisch-konstruktiv unter Verwendung einer so genannten Kolbenmaschine realisiert wird, welche ein geschlossenes System mit jederzeit definierten volumetrischen Bedingungen darstellt. Das Verfahren zeichnet sich dann in einer entsprechenden Weiterbildung speziell durch die folgenden Verfahrensschritte aus:
Es erfolgt zunächst eine insbesondere isentrope Expansion des primären Arbeitsmediums, wobei mechanische Arbeit nach außen abgegeben wird, die wiederum zumindest teilweise nutzbar ist, beispielsweise um eine weitere Maschine anzutreiben oder um mittels eines Generators eine Umwandlung in elektrische Energie vorzunehmen. Dabei bleibt vorzugsweise das Volumen des sekundären Arbeitsmediums im Wesentlichen konstant, was ein weiteres Beispiel für die Selektivität der Wechselwirkung zwischen den Arbeitsmedien darstellt. Die genannte Expansion ist eine konkrete Realisierung der Störung gemäß Verfahrensschritt 1.1) bei einer Kolbenmaschine.
Anschließend erfolgt ein Temperaturausgleich zwischen dem primären Arbeitsmedium und dem sekundären Arbeitsmedium im Rahmen einer erneuten, zumindest zeitlich selektiven Wechselwirkung zwischen den beiden Medien. Mit Blick auf eine entsprechende thermodynamische Maschine entspricht dieser Verfahrensschritt einem „Stilltakt”, da keine mechanische Bewegung der Maschine, insbesondere des Arbeitskolbens und/oder des Freikolbens einer Arbeitsmaschine, damit verbunden ist.
Dann wird eine Kompression des primären Arbeitsmediums bewirkt, indem dem System, das heißt der Gesamtheit aus erstem Arbeitsmedium und zweitem Arbeitsmedium mechanische Arbeit von außen zugeführt wird. Dies geschieht solange, bis das primäre Arbeitsmedium einen vorbestimmten Zustand erreicht. Auf mögliche und vorteilhafte Eigenschaften dieses Zustands wird weiter unten noch genauer eingegangen. Beispielsweise kann es sich um einen vorbestimmten volumetrischen Zustand handeln, der erreicht ist, wenn der Arbeitskolben einer volumentrischen Maschine seinen oberen Totpunkt erreicht.
Im Anschluss daran erfolgt eine weitere Kompression des primären Arbeitsmediums, insbesondere durch das sekundäre Arbeitsmedium, bis der Anfangszustand des Kreisprozesses im Wesentlichen wieder erreicht ist. Dieser letzte Schritt erfordert die Zufuhr thermischer Energie, wobei nach den Grundprinzi pien der Thermodynamik allerdings auch thermische Energie von dem System an die Umgebung abgegeben werden muss.
Die vorstehend beschriebenen Verfahrensschritte des Kreisprozesses werden anschließend gegebenenfalls wiederholt, so dass der Kreisprozess fortlaufend thermische Energie in mechanische Arbeit umwandelt.
Wie ebenfalls bereits angedeutet, kann es sich bei dem primären Arbeitsmedium und dem sekundären Arbeitsmedium um Fluide, vorzugsweise um Gase handeln. Die beiden Arbeitsmedien brauchen nicht gleich zu sein, vielmehr können auch unterschiedliche Arbeitsmedien als primäres bzw. sekundäres Arbeitsmedium zum Einsatz kommen. Diese können jedoch anfänglich als Gemisch, d. h. als zumindest im Mittel einheitliches, homogenes Arbeitsmedium vorliegen, beispielsweise in Form von Luft, welche insbesondere CO₂ (Kohlendioxid), O₂ (Sauerstoff) und N₂ (Stickstoff) enthält.
Vorzugsweise handelt es sich – wie gesagt – bei dem primären Arbeitsmedium und/oder bei dem sekundären Arbeitsmedium um ein reales Gas, welches in einem bestimmten Bereich seines Zustandsraums als Nassdampf vorliegt. Der Kreisprozess findet dann vorteilhafter Weise zumindest teilweise in diesem Nassdampfbereich statt.
Alternativ kann es sich bei dem primären Arbeitsmedium und/oder bei dem sekundären Arbeitsmedium auch um ein ideales Gas handeln.
Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht allerdings vor, dass entweder das primäre Arbeitsmedium oder das sekundäre Arbeitsmedium, vorzugsweise das primäre Arbeitsmedium, ein reales Gas ist und dass das jeweils andere Arbeitsmedium, vorzugsweise also das sekundäre Arbeitsmedium, ein ideales Gas ist. Ein konkretes Realisierungsbeispiel umfasst als primäres Arbeitsmedium CO₂ und als sekundäres Arbeitsmedium N₂.
Eine besondere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass zum Bewirken der Störung gemäß dem Verfahrensschritt 1.1) das Arbeitsmedium in eine vorbestimmte, insbesondere rotierende Strömungsbewe gung versetzt wird, insbesondere durch Einblasen in einen an seiner Innenwandung geeignet konturierten Rohrabschnitts. Vorteilhaft ist es, wenn das Arbeitsmedium seitlich in einen Rohrabschnitt eingeblasen wird, der zumindest im Einblasbereich eine spiralförmige oder schraubengangartige Konturierung aufweist, so dass das Arbeitsmedium in eine schnell rotierende und in dem Rohrabschnitt fortschreitende Strömungsbewegung versetzt wird. Dabei kommt es zu einem radialen Druckgefälle innerhalb des Rohrabschnitts mit gegenüber der Rohrmitte erhöhtem Druck im Bereich der Innenwandung verbunden mit in diesem Bereich erhöhten Temperaturen sowie einem Wärmestrom radial von außen nach innen oder umgekehrt. Das Einblasen und Verwirbeln des Arbeitsmediums entspricht dann der Störung gemäß Verfahrensschritt 1.1), welche ihrerseits zum Entstehen der Temperaturdifferenz und des Wärmeübergangs gemäß dem Verfahrensschritt 1.2) beiträgt. Der genannte Druckgradient symbolisiert die erfindungsgemäße Ausbildung unterscheidbarer Bereiche (vorliegend nicht diskret, sondern kontinuierlich), wobei es bei einem Vorliegen unterschiedlicher primärer und sekundärer Arbeitsmedien in dem Arbeitsmedium insbesondere durch die Wirkung von Zentrifugalkräften neben der Ausbildung von Schichten unterschiedlicher Temperatur auch zu einer atomaren/molekularen Trennung der Arbeitsmedien kommen kann. Die genannte Ausbildung von Schichten kann insbesondere zum Entstehen echt diskreter Teilchenschichten führen.
Nach erfolgtem Wärmeübergang können dann im Rahmen des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels zum Bewirken der wärmetechnischen Trennung der beiden Bereiche gemäß dem Verfahrensschritt 1.3) das primäre Arbeitsmedium und das sekundäre Arbeitsmedium räumlich getrennt werden. Beispielsweise kann dies dadurch erfolgen, dass die genannten Arbeitsmedien separat aus dem Rohrabschnitt ausgeleitet werden, beispielsweise dass eine (primäre) Arbeitsmedium im Zentrum des Rohrabschnitts, das heißt im Bereich der Rohrlängsachse, und das andere (sekundäre) Arbeitsmedium im Bereich der Rohrinnenwandung. Zur Realisierung des Verfahrensschritts 1.4) können anschließend die beiden Arbeitsmedien wieder zusammengeführt werden, um das System in seinen Anfangszustand zurückzuführen.
Alternativ ist es auch möglich, eines der beiden Arbeitsmedien in dem Rohrabschnitt volumetrisch von dem anderen Arbeitsmedium getrennt zu führen, beispielsweise durch Vorsehen eines entsprechenden Innenrohrabschnitts in dem genannten Rohrabschnitt. Das primäre Arbeitsmedium und das sekundäre Arbeitsmedium werden dann entsprechend in volumentrisch getrennten Kreisläufen geführt und stehen lediglich für die Wärmeübertragung in dem Verfahrensschritt 1.2) selektiv in wärmetechnischer Wechselwirkung.
Die vorstehend beschriebene Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich auch als Realisierung in Form einer Strömungsmaschine beschreiben.
Eine Weiterbildung des Verfahrens bei Realisierung in Form einer Kolbenmaschine sieht vor, dass in dem Verfahrensschritt 1.4) die Kompression des primären Arbeitsmediums zumindest phasenweise mit einer Kompression des sekundären Arbeitsmediums verbunden ist. Konkret kann dies bedeuten, dass phasenweise eine gekoppelte Kompression des ersten Arbeitsmediums und des zweiten Arbeitsmediums erfolgt, beispielsweise indem die beiden Arbeitsmedien hintereinander geschaltet werden.
Im Zuge einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass in dem Verfahrensschritt 1.4) zunächst eine insbesondere isentrope Kompression nur des primären Arbeitsmediums bis zum Erreichen eines vorbestimmten Drucks erfolgt.
Dazu kann weiterhin vorgesehen sein, dass in dem Verfahrensschritt 1.4) die insbesondere isentrope Kompression des primären Arbeitsmediums durchgeführt wird, bis zwischen dem primären Arbeitsmedium und dem sekundären Arbeitsmedium im Wesentlichen ein mechanisches Kräftegleichgewicht, speziell Druckgleichgewicht herrscht.
Dies lässt sich beispielsweise bei einer Kolbenmaschine dadurch erreichen, dass für eine bewegliche Trennstruktur zwischen den beiden Arbeitsmedien eine Anschlagstruktur vorgesehen ist, an welcher die genannte Trennstruktur bedingt durch den Druck des sekundären Arbeitsmediums solange anliegt, bis sie durch den zunehmenden Druck seitens des primären Arbeitsmediums verschoben wird.
In diesem Zusammenhang sieht dann eine andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass in dem Verfahrensschritt 1.4) anschließend eine gekoppelte, insbesondere isentrope Kompression des primären Arbeitsmediums und des sekundären Arbeitsmediums durchgeführt wird, bis ein bei der Abfuhr mechanischer Arbeit in dem Verfahrensschritt 1.1) und/oder bei der durchgeführten Kompression verwendetes Mittel, beispielsweise ein Arbeitskolben, im Wesentlichen wieder seine Anfangsstellung einnimmt.
Auch der Verfahrensschritt 1.3) des erfindungsgemäßen Verfahrens kann verschiedene Weiterbildungen erfahren, insbesondere bei Realisierung in Form einer Kolbenmaschine:
Eine erste derartige Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass in dem Verfahrensschritt 1.3) die Kompression des primären Arbeitsmediums durch das sekundäre Arbeitsmedium erfolgt.
Dies bringt nochmals zum Ausdruck, dass die beiden Arbeitsmedien vorteilhafterweise derart zusammengeschaltet sind, dass ein Einwirken auf das eine Arbeitsmedium, vorliegend das sekundäre Arbeitsmedium, entsprechende Auswirkungen auf das andere Arbeitsmedium, hier das primäre Arbeitsmedium, hervorruft.
Dabei kann im Zuge einer anderen Weiterbildung vorgesehen sein, dass in dem Verfahrensschritt 1.3) die Kompression des primären Arbeitsmediums mit einer Expansion des sekundären Arbeitsmediums verbunden ist.
Beispielsweise kann dies dadurch erfolgen, dass dem sekundären Arbeitsmedium Wärme zugeführt wird, so dass dieses sich ausdehnt, und entsprechend auf das primäre Arbeitsmedium einwirkt. Die zugeführte Wärme kann zumindest teilweise der Umgebung des Systems entnommen werden. Alternativ oder zusätzlich kann jedoch vorgesehen sein, dass die zugeführte Wärme zumindest teilweise mittels einer zusätzlichen Wärmequelle zugeführt wird, um den Prozessablauf zu beschleunigen.
Eine andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens in dem Verfahrensschritt 1.3) sieht vor, dass zunächst eine insbesondere isentrope Kompression des primären Arbeitsmediums bis zum Erreichen einer vorbestimmten Temperatur des primären Arbeitsmediums durchgeführt wird, wobei es sich bei der genannten Temperatur vorzugsweise um die Anfangstemperatur des Gesamtsystems und damit auch des primären Arbeitsmediums handelt, welche vorzugsweise der Umgebungstemperatur entspricht.
Im Zuge einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass im Anschluss daran eine insbesondere isotherme und/oder isobare Kompression des primären Arbeitsmediums durchgeführt wird, bis der Anfangszustand des Gesamtsystems, das heißt des primären Arbeitsmediums und des sekundären Arbeitsmediums im Wesentlichen wieder hergestellt ist.
Insbesondere in diesem Zusammenhang ist es von besonderem Vorteil, wenn es sich bei dem primären Arbeitsmedium um ein reales Gas bzw. einen so genannten Nassdampf handelt, weil dann in dem entsprechenden Zustandsdiagramm die Isobaren und die Isothermen zusammenfallen, so dass die vorgeschlagene isotherme/isobare Kompression des primären Arbeitsmediums technisch relativ leicht realisierbar ist.
Wie bereits gesagt, befinden sich das primäre Arbeitsmedium und das sekundäre Arbeitsmedium bzw. das gesamte Arbeitsmedium anfänglich, das heißt zu Beginn des beschriebenen Kreisprozesses im Wesentlichen auf Umgebungstemperatur.
Die einzelnen Verfahrensabläufe insbesondere in den Verfahrensschritten 1.3) und 1.4) können auch in einer anderen Reihenfolge ablaufen, als oben dargestellt, was insbesondere von der Richtung des Kreisprozesses abhängt.
Wie der Fachmann erkennt, lässt sich das vorstehend beschriebene Verfahren grundsätzlich bei einer Vielzahl unterschiedlicher thermodynamischer Maschi nen (Wärmekraftmaschinen oder Arbeitsmaschinen) einsetzen, wobei die weiter oben definierten erfindungsgemäßen Maschinen eine entsprechend abstrakte Definition derartiger Maschinen liefern.
Eine erste konkrete Weiterbildung der ersten erfindungsgemäßen Maschine sieht vor, dass der erste Bereich und der zweite Bereich innerhalb eines gemeinsamen Zylinders angeordnet sind.
Eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine sieht in diesem Zusammenhang vor, dass die Mittel zum Abführen der mechanischen Arbeit als ein Arbeitskolben ausgebildet sind, der den Zylinder insbesondere nach außen, das heißt gegen die Umgebung abschließt und so die Arbeitsmedien innerhalb des Zylinders hält.
Eine andere Weiterbildung der ersten erfindungsgemäßen Maschine sieht hiervon ausgehend vor, dass zwischen den Bereichen eine bewegliche Abtrennung oder Trennstruktur vorgesehen ist. Diese kann insbesondere als ein innerhalb des Zylinders angeordneter Freikolben ausgebildet sein. In diesem Zusammenhang sieht dann eine andere Weiterbildung der ersten erfindungsgemäßen Maschine vor, dass innerhalb des Zylinders noch eine Struktur vorgesehen ist, welche zum Begrenzen der Bewegung der beweglichen Abtrennung bzw. des Freikolbens dient. Die genannte Struktur kann im einfachsten Fall als eine Anschlagstruktur innerhalb des Zylinders ausgebildet sein, welche die Bewegung der beweglichen Abtrennung bzw. des Freikolbens zumindest in einer Richtung begrenzt. Hierdurch kann insbesondere ein maximales Volumen des zweiten Bereichs definiert sein, so dass das sekundäre Arbeitsmedium bei Erreichen seiner entsprechenden maximalen Ausdehnung keine weitere Druckeinwirkung auf das primäre Arbeitsmedium ausüben kann, was ein Beispiel für die weiter oben bereits angesprochene selektive Wechselwirkung zwischen den Arbeitsmedien darstellt.
Alternativ zu der oben beschriebenen Ausgestaltung kann die bewegliche Abmessung als Teil eines Arbeitskolbens fungieren. Die genannte Struktur kann durch eine zeitweise (mechanische) Zwangskopplung zwischen Arbeits- und Freikolben ersetzt sein.
Es sei an dieser Stelle nochmals angemerkt, dass die vorliegende Erfindung keinesfalls auf die vorstehend beschriebene konkrete Ausgestaltung einer Maschine als Zylinder-Kolben-Anordnung beschränkt ist. Beispielsweise ist es grundsätzlich auch möglich, die angestrebte Wechselwirkung zwischen den beiden Arbeitsmedien über Turbinen oder dergleichen anstelle von Kolben strömungstechnisch zu bewerkstelligen, ohne hierdurch den Bereich der vorliegenden Erfindung, wie er durch die beigefügten Patentansprüche definiert ist, zu verlassen.
Entsprechend sieht eine erste Weiterbildung der zweiten erfindungsgemäßen Maschine vor, dass die Störeinrichtung einen an seiner Innenwandung konturierten Rohrabschnitt sowie eine Einblasvorrichtung zum Einblasen des Arbeitsmediums in den Rohrabschnitt aufweist, wie weiter oben bereits angesprochen. Der Rohrabschnitt muss nicht über seine gesamte Länge an der Innenwandung konturiert sein, vielmehr reicht grundsätzlich eine Konturierung im Einblasbereich des Arbeitsmediums aus.
Im Rahmen einer anderen Weiterbildung dient die genannte Konturierung des Rohrabschnitts dazu, die Störung gemäß dem Verfahrensschritt 1.1) zu bewirken. Dazu kann die Konturierung insbesondere schraubengangförmig ausgebildet sein, so dass das Arbeitsmedium beim Einblasen in den Rohrabschnitt in eine rotierende Strömungsbewegung versetzt wird, welche eine Strömungskomponente in Richtung der Längsachse des Rohrabschnitts sowie eine Strömungskomponente quer zu der genannten Achse aufweist.
Um die erforderliche wärmetechnische Trennung der Arbeitsmedien zu erreichen, weist eine Weiterbildung der zweiten erfindungsgemäßen Maschine Mittel zum Bewirken einer räumlichen Trennung des primären Arbeitsmediums und des sekundären Arbeitsmediums auf. Die genannten Mittel können insbesondere derart ausgebildet sein, dass sie ein separates Ausleiten der Arbeitsmedien aus dem Rohrabschnitt ermöglichen. Alternativ ist es auch möglich, die beiden Arbeitsmedien in dem Rohrabschnitt getrennt zu führen, wie ebenfalls weiter oben bereits besprochen.
Der Störeinrichtung und der Trenneinrichtung nachgeschaltet weist eine andere Weiterbildung der zweiten erfindungsgemäßen Maschine vorzugsweise Mittel auf, welche ein erneutes Zusammenführen der beiden Arbeitsmedien ermöglichen.
Insbesondere um den Strömungskreislauf des Arbeitsmediums durch die zweite erfindungsgemäße Maschine aufrechtzuerhalten bzw. um den Anfangszustand des Arbeitsmediums wiederherzustellen, weist die genannte Maschine im Zuge einer anderen Weiterbildung wenigstens ein insbesondere gemeinsames Verdichtermittel für das primäre und/oder für das sekundäre Arbeitsmedium auf, welches insbesondere als adiabater Verdichter ausgebildet sein kann.
Während die erste erfindungsgemäße thermodynamische Maschine vorzugsweise zur Realisierung eines rechtsläufigen Kreisprozesses dient, lässt sich die zweite erfindungsgemäße Maschine vorzugsweise zur Realisierung eines linksläufigen Kreisprozesses verwenden. Dies gilt jedoch ohne Beschränkung, da beispielsweise die zweite erfindungsgemäße Maschine auch zur Realisierung des rechtsläufigen Kreisprozesses eingesetzt werden kann, indem zum Beispiel im Bereich des Rohrabschnitts durch den Einsatz von Verdichterrädchen oder dergleichen eine stufenweise Verdichtung verbunden mit einer Abfuhr mechanischer Arbeit realisiert wird.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines konkreten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung.
1 zeigt eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen thermodynamischen Maschine (Wärmekraftmaschine) mit einem primären und einem sekundären Arbeitsmedium, welche eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. Kreisprozesses durchläuft;
2 zeigt die Zustandsänderungen des primären Arbeitsmediums im Verlauf des Kreisprozesses gemäß 1 in einem p-h-Diagramm;
3 zeigt die Zustandsänderungen des sekundären Arbeitsmediums im Verlauf des Kreisprozesses gemäß 1 in einem p-h-Diagramm;
4 zeigt schematisch eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen thermodynamischen Maschine (Arbeitsmaschine, beispielsweise Kältemaschine oder Wärmepumpe) mit einem primären und einem sekundären Arbeitsmedium, welche eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. Kreisprozesses durchläuft;
5 zeigt schematisch eine Abfolge von Zuständen, welche bei der Maschine gemäß 4 im Betrieb auftreten; und
6 zeigt eine alternative Ausgestaltung der thermodynamischen Maschine gemäß 4 mit getrennten Kreisläufen für das primäre und das sekundäre Arbeitsmedium.
1 zeigt schematisch eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen thermodynamischen Maschine in Form einer Wärmekraftmaschine zum Umwandeln von thermischer Energie in mechanische Energie mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses. Die genannte Wärmekraftmaschine ist in 1 insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet, wobei in 1 vertikal untereinander eine zeitliche Abfolge von Arbeitszuständen bzw. Arbeitstakten der Wärmekraftmaschine 1 dargestellt ist. Die genannten Zustände sind in 1 mit ➀ bis ➆ bezeichnet, wobei Zustand ➆ dem Anfangszustand ➀ entspricht. Die vertikalen Pfeile symbolisieren Zustandsänderungen; die horizontalen Pfeile symbolisieren die jeweils zu- bzw. abgeführte Wärme und Arbeit.
Die Wärmekraftmaschine 1 umfasst gemäß der Darstellung in 1 einen Zylinder 2, in dem ein Arbeitskolben 3 angeordnet ist. Weiterhin befindet sich innerhalb des Zylinders 2 ein Freikolben 4, der mit einer Anschlagstruktur 5 zusammenwirkt, welche eine Endposition des Freikolbens 4 bei einer Bewegung desselben in Richtung des Arbeitskolbens 3 definiert. Der Bereich 6 zwischen dem Arbeitskolben 3 und dem Freikolben 4 ist mit einem ersten Arbeitsmedium, beispielsweise CO₂-Gas, gefüllt. Zwischen dem Freikolben 4 und dem geschlossenen Ende des Zylinders 2 ist weiterhin ein Bereich 7 definiert, der mit einem zweiten Arbeitsmedium, beispielsweise N₂-Gas, gefüllt ist. Vorliegend wird das erste Arbeitsmedium auch als primäres Arbeitsmedium bezeichnet, während das zweite Arbeitsmedium auch als sekundäres Arbeitsmedium bezeichnet wird.
Die vorstehend beschriebene Wärmekraftmaschine 1 befindet sich in einer Umgebung 8, welche zugleich als Wärmereservoir und Wärmesenke fungiert. Der Zylinder 2 bzw. dessen Gehäuse isoliert die Bereiche 6, 7 weitestgehend thermisch gegenüber der Umgebung 8. Darüber hinaus weist die Wärmekraftmaschine 1 Mittel 9 zum selektiven Aufnehmen von thermischer Energie aus der Umgebung 8 in thermischer Wirkverbindung mit dem zweiten Bereich 7 auf. „Selektives Aufnehmen” bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die genannten Mittel 9 nur phasenweise und insbesondere gesteuert für eine Wärmeaufnahme aus der Umgebung 8 durch das sekundäre Arbeitsmedium ausgebildet sind. Optional kann in thermischer Wirkverbindung mit dem zweiten Bereich 7 noch eine Heizeinrichtung 10 (in 1 gestrichelt gezeichnet) vorgesehen sein, durch welche gezielt und gesteuert thermische Energie dem zweiten Bereich 7 zuführbar ist. Weiterhin sind in thermischer Wirkverbindung in dem ersten Bereich 6 Mittel 11 zum selektiven Abgeben thermischer Energie des primären Arbeitsmediums an die Umgebung 8 vorgesehen. Schließlich sind in thermischer Wirkverbindung sowohl mit dem ersten Bereich 6 als auch mit dem ersten Bereich 7 Mittel 12 vorgesehen, welche einen selektiven thermischen Ausgleich zwischen den genannten Bereichen ermöglichen. Bezugszeichen 13 bezeichnet die Anfangsstellung des Arbeitskolbens 3.
Die konkrete Ausgestaltung der Mittel bzw. Einrichtungen 9–12 sowie deren Steuerung ist nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung und wird von einem Fachmann auf dem Gebiet der Wärmetechnik bei Bedarf entsprechend gewählt.
Rechts in 1 sind jeweils zugeführte bzw. abgegebene (mechanische) Arbeit („W_V”, für Volumenarbeit) und Wärme („Q”) angegeben. Die zugeordneten Zahlen (beispielsweise „23”) geben an, zwischen welchen Zuständen ➀ bis ➆ die entsprechende Zu- bzw. Abfuhr stattfindet. Weiterhin steht der Buchstabe „p” für das primäre Arbeitsmedium im Bereich 6, während der Buchstabe „s” für das sekundäre Arbeitsmedium im Bereich 7 steht.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Mittel bzw. Einrichtungen 9–12 im Rahmen der Zustände ➁ bis ➆ in 1 nicht erneut dargestellt, sondern es wird dort, wo eine entsprechende Funktion der genannten Mittel bzw. Einrich tungen wesentlich für den dargestellten Verfahrensablauf ist, sprachlich auf sie hingewiesen.
Nachfolgend wird der mit Hilfe der Wärmekraftmaschine 1 durchgeführte thermodynamische Kreisprozess anhand der Zustandsabfolge ➀–➆ exemplarisch näher erläutert:
Im Anfangszustand (Zustand ➀) befinden sich das primäre Arbeitsmedium im Bereich 6 und das sekundäre Arbeitsmedium im Bereich 7 in einem Temperatur- und Druckgleichgewicht, wobei sich beide Medien auf einer Temperatur mit der Umgebung 8, das heißt auf Umgebungstemperatur befinden.
Beim Übergang von ➀ nach ➁ erfolgt eine isentrope Expansion des primären Arbeitsmediums im Bereich 6. Dabei bewegt sich der Arbeitskolben 3 aus dem Zylinder 2 hinaus und leistet mechanische Arbeit W_V12p, welche abgegeben wird. Aufgrund seiner Expansion kühlt sich das primäre Arbeitsmedium auf eine Temperatur deutlich unterhalb der Umgebungstemperatur ab, während der Druck im Bereich 6 abnimmt. Da der Freikolben 4 an der Anschlagstruktur 5 anliegt, kommt es von ➀ nach ➁ zu keiner Zustandsänderung im zweiten Bereich 7. In dem zweiten Arbeitsmedium herrscht nach wie vor der Anfangsdruck, während sich das zweite Arbeitsmedium nach wie vor auf Umgebungstemperatur befindet.
Von ➁ nach ➂ erfolgt selektiv ein thermischer Ausgleich zwischen dem primären Arbeitsmedium im Bereich 6 und dem sekundären Arbeitsmedium im Bereich 7. Zu diesem Zweck sind die oben bereits erwähnten Mittel 12 vorgesehen. In diesem Zusammenhang fließt die Wärme Q_23 vom zweiten Bereich 7 in den ersten Bereich 6. Anschließend befinden sich die beiden Arbeitsmedien untereinander in einem thermischen Gleichgewicht, wobei die Temperatur im Zustand ➂ zwar unterhalb der Umgebungstemperatur, jedoch oberhalb der Temperatur des primären Arbeitsmediums im Zustand ➁ liegt.
Von ➂ nach ➃ wird über den Arbeitskolben 3 an dem primären Arbeitsmedium im Bereich 6 Volumenarbeit W_V34p geleistet, welche zu einer isentropen Kompression des primären Arbeitsmediums führt. Dabei verringert sich das Volumen des primären Arbeitsmediums im Bereich 6, und der Druck und die Temperatur steigen an, bis ein Druckgleichgewicht zwischen dem ersten Bereich 6 und dem zweiten Bereich 7 herrscht. Der Gleichgewichtsdruck im Zustand 4 liegt dabei aufgrund der Abkühlung des sekundären Arbeitsmediums von ➁ nach ➂ unterhalb des anfänglichen Gleichgewichtsdrucks im Zustand ➀.
Ausgehend von ➃ führt dann ein fortgesetztes Einwirken von außen auf den Arbeitskolben 3 zu einer gekoppelten isentropen Kompression sowohl des primären Arbeitsmediums im Bereich 6 als auch des sekundären Arbeitsmediums im Bereich 7. Dabei verlässt der Freikolben 4 seine Anschlagsposition bei Bezugszeichen 5 und bewegt sich in Richtung des geschlossenen Endes des Zylinders 2. Das Volumen des ersten Bereichs 6 nimmt von ➃ nach ➄ nur noch leicht ab, da die wesentliche Volumenänderung nun im zweiten Bereich 7 stattfindet. Es kommt zu einer Erwärmung sowohl des primären Arbeitsmediums im Bereich 6 als auch des sekundären Arbeitsmediums im Bereich 7 bei gegenüber ➃ leicht erhöhtem Gleichgewichtsdruck.
Die Übergänge ➂–➃ und ➃–➄ lassen sich zusammenfassend als isentrope Kompression des primären Arbeitsmediums charakterisieren, welche phasenweise mit einer Kompression des sekundären Arbeitsmediums gekoppelt ist. Die genannte Kopplung greift ein, sobald das Druckgleichgewicht zwischen dem ersten Bereich 6 und dem zweiten Bereich 7 hergestellt ist (Zustand ➃).
Beim Übergang von ➃ nach ➄ wird über den Arbeitskolben 3 solange mechanische Arbeit zugeführt, bis sich dieser wieder in seiner Anfangsstellung 13 gemäß Zustand ➀ befindet. Dabei wird an dem primären Arbeitsmedium im Bereich 6 die mechanische Arbeit W_V45p und über das primäre Arbeitsmedium an dem sekundären Arbeitsmedium im Bereich 7 die mechanische Arbeit W_V45s geleistet, in der Summe also W_V45p + W_V45s.
Die Übergänge ➄–➅ und ➅–➆ beinhalten eine Kompression des primären Arbeitsmediums im Bereich 6 durch das sekundäre Arbeitsmedium im Bereich 7, indem dem sekundären Arbeitsmedium im Bereich 7 Wärme zugeführt wird, Q_56s bzw. Q_67s. Die genannten Wärmemengen stammen vorzugsweise aus der Umgebung 8, wobei insbesondere die weiter oben beschriebenen thermi schen Verbindungsmittel 9 zum Einsatz kommen. Alternativ oder zusätzlich können die genannten Wärmemengen zumindest teilweise von der zusätzlichen Heizeinrichtung 10 geliefert werden, deren konkrete technische Ausgestaltung im Bereich des fachmännischen Könnens liegt.
Von ➄ nach ➅ kommt es also zu einer Erwärmung des sekundären Arbeitsmediums im Bereich 7, so dass dessen Volumen zunimmt, was mit einem entsprechenden Druckanstieg und einer Druckeinwirkung auf das primäre Arbeitsmedium im Bereich 6 verbunden ist. Dabei steigt der Druck des primären Arbeitsmediums in dem Bereich 6 bis auf den Anfangsdruck (Zustand ➀), wobei zwischen den Bereichen 6 und 7 Druckgleichgewicht herrscht. Darüber hinaus steigt die Temperatur des primären Arbeitsmediums im Bereich 6 bis auf ihren Anfangswert (Zustand ➀). Die Temperatur des sekundären Arbeitsmediums im Bereich 7 liegt im Zustand ➅ noch leicht unterhalb der Anfangstemperatur (Zustand ➀), das heißt der Umgebungstemperatur.
Von ➄ nach ➅ nimmt das sekundäre Arbeitsmedium im Bereich 7 die Wärmemenge Q_56s auf, entweder von der Umgebung 8 über die Mittel 9 und/oder von einer zusätzlichen Wärmequelle in Form der Heizeinrichtung 10, wie beschrieben.
Schließlich wird von ➅ nach ➆ dem sekundären Arbeitsmedium im Bereich 7 weitere thermische Energie in Form von Wärme über die Mittel 9 bzw. die Einrichtung 10 zugeführt, bis die Temperatur in diesem Bereich wieder der Umgebungstemperatur (Anfangstemperatur im Zustand ➀) entspricht. Dabei dehnt sich das sekundäre Arbeitsmedium im Bereich 7 weiter aus, bis der Freikolben 4 sich wieder in seiner Anschlagsposition an der Struktur 5 befindet. Im Bereich 6 findet eine isotherme/isobare Kompression des primären Arbeitsmediums (reales Gas) statt, welche mit einem Wärmeabfluss Q_67p an die Umgebung 8 über die weiter oben beschriebenen Mittel 11 verbunden ist.
Auf diese Weise entspricht Zustand ➆ dem Anfangszustand ➀, und der Zyklus kann erneut ablaufen.
Betrachtet werden soll eine spezielle Ausgestaltung der Wärmekraftmaschine 1, bei der der erste Bereich 6 anfänglich mit dem Arbeitsgas CO₂ bei einer Temperatur von 12°C (Umgebungstemperatur), einem Druck von 47,18 bar und einem entsprechenden Volumen von 9,14 l gefüllt ist. In dem zweiten Bereich 7 befindet sich Stickstoffgas N₂, ein angenähert ideales Gas, ebenfalls bei einer Temperatur von 12°C und einem Druck von 47,18 bar, jedoch mit einem Volumen von 102,44 l.
Die Expansion des primären Arbeitsmediums von ➀ nach ➁ erfolgt bis zu einer Volumenvergrößerung des ersten Bereichs 6 auf 10 l. Dabei sinkt die Temperatur des primären Arbeitsmediums im Bereich 6 im Zustand ➁ auf –35°C.
Die weiteren Verfahrensparameter wurden bereits bei der weiter oben gegebenen Beschreibung des Verfahrensablaufs von ➀ nach ➆ angegeben bzw. ergeben sich aus der entsprechenden Anwendung der thermodynamischen (Gas-)Gleichung.
Die Nutzarbeit des Gesamtprozesses W_N ergibt sich als die Differenz der abgeführten Arbeit W_V12p abzüglich der insgesamt zugeführten Arbeit W_V34p + W_V45s + W_V45p. Die insgesamt zugeführte Wärme entspricht der Summe aus Q_56s und Q_67s. Definiert man den Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine 1 vorliegend als den Quotienten aus Nutzarbeit W_N und insgesamt zugeführter Wärme, so ergibt sich für das vorstehend erwähnte Ausführungsbeispiel ein Wirkungsgrad von knapp 36%.
Die Leistung der entsprechenden Wärmekraftmaschine 1 hängt von der benötigten Zykluszeit für das Durchlaufen der Zustände ➀ bis ➆ ab und variiert im Beispiel zwischen knapp 0,8 kW für eine Zyklusdauer von 1 min und einer Leistung von 0,16 kW bei einer Zyklusdauer von 5 min.
Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die technische Realisierung des vorgeschlagenen Kreisprozesses nicht auf die in 1 exemplarisch dargestellte Ausgestaltung der Wärmekraftmaschine 1 beschränkt ist. Es kommt vielmehr ausschließlich darauf an, dass die in den beigefügten Patentansprüchen definierten und im Zuge des Verfahrensablaufs bewirkten Zustandsänderungen entsprechend bzw. äquivalent durchgeführt werden, was auch mit einer anderen Wärmekraftmaschine als der in 1 gezeigten möglich ist.
2 und 3 zeigen Zustandsdiagramme des vorstehend anhand von 1 bereits ausführlich erläuterten Kreisprozesses, wobei das Diagramm gemäß 2 sich auf das primäre Arbeitsmedium (vorliegend CO₂) bezieht, und wobei das Diagramm gemäß 3 sich auf das sekundäre Arbeitsmedium (vorliegend N₂) bezieht. Dargestellt ist jeweils der Gasdruck p in bar über der spezifischen Enthalpie h in kJ/kg. Die Zahlenwerte entstammen dem weiter oben angegebenen speziellen Ausführungsbeispiel. Darüber hinaus sind auch in den 2 und 3 die Zustände entsprechend 1 bezeichnet, wobei Zustand ➀ und Zustand ➆ zusammenfallen.
Wie sich der Darstellung in 2 weiterhin entnehmen lässt, liegt das primäre Arbeitsmedium CO₂ als so genannter Nassdampf vor, wobei die Kurve K in 2 den Nassdampfbereich im Zustandsdiagramm einschließt. Nassdampf enthält neben einem gasförmigen Anteil auch feinste Tröpfchen, das heißt einen Flüssigkeitsanteil der betreffenden Substanz.
Bezogen auf das primäre Arbeitsmedium beginnt der Kreisprozess bei ➀ in 2. Von diesem Anfangszustand ausgehend erfolgt die isentrope Expansion bis in den Zustand ➁. Die entsprechende Kurve konstanter Entropie ist in 2 abschnittsweise eingezeichnet. Ausgehend von Zustand ➁ erfolgt eine isochore Wärmezufuhr nach Zustand ➂ verbunden mit einer Zunahme der Enthalpie, während von ➀ nach ➁ zunächst eine Enthalpieabnahme zu verzeichnen war. Die Zustandsänderung von ➁ nach ➂ erfolgt isochor.
Von ➂ nach ➃ und weiter über ➄ nach ➅ erfährt das primäre Arbeitsmedium eine isentrope Kompression.
Von ➅ nach ➀ erfolgt eine isotherme/isobare Kompression des Nassdampfes zurück in den Ausgangszustand ➀.
3 enthält eine entsprechende Darstellung für das sekundäre Arbeitsmedium N₂.
Hier fallen die Zustände ➀ und ➁ zusammen, wie sich aus der Darstellung gemäß 1 ergibt. Von ➁ nach ➂ findet eine isochore Wärmeabfuhr statt, wohingegen die Zustände ➂ und ➃ für das zweite Arbeitsmedium wiederum zusammenfallen (vgl. 1).
Ausgehend von Zustand ➃ erfolgt eine isentrope Zustandsänderung nach ➄ im Zuge der gekoppelten isentropen Kompression des ersten Arbeitsmediums und des zweiten Arbeitsmediums (vgl. 1).
Die Zustandsänderung von ➄ nach ➅ ist eine polytrope Ausdehnung durch Wärmezufuhr aus der Umwelt bzw. unter Verwendung einer zusätzlichen Wärmequelle, woran sich von ➅ nach ➀ eine isobare Ausdehnung wiederum durch Wärmezufuhr aus der Umwelt bzw. von einer zusätzlichen Wärmequelle anschließt.
Zustand ➀ fällt wiederum mit Zustand ➆ zusammen (vgl. 1), so dass der Kreisprozess vollständig ist.
Wie bereits mehrfach angedeutet, besteht eine vorteilhafte Ausgestaltung des vorgeschlagenen Kreisprozesses bzw. einer entsprechenden Wärmekraftmaschine darin, dem sekundären Arbeitsmedium beim Übergang von ➄ nach ➅ und/oder ➅ nach ➆ gezielt Wärme von einer zusätzlichen Wärmequelle zuzuführen, um insbesondere die bereits erwähnte Zyklusdauer zu verkürzen und eine entsprechend höhere Leistung zu erzielen. Die hieraus resultierenden Kosten-Nutzen-Auswirkungen sind entsprechend abzuwägen.
4 zeigt schematisch eine Ausgestaltung der zweiten erfindungsgemäßen thermodynamischen Maschine, welche als Strömungsmaschine 1' zur Realisierung des linksläufigen erfindungsgemäßen Kreisprozesses ausgebildet ist. Die Strömungsmaschine 1' umfasst gemäß 4 zunächst eine Störeinrichtung 14, hier vorliegend als ein Rohrabschnitt 14a ausgebildet ist, der an seinem einen Ende bei Bezugszeichen 14b eine Öffnung zum (relativ zur Längsachse L des Rohrabschnitts 14a) schrägen Einblasen eines Arbeitsmediums in den Rohrabschnitt 14a aufweist. Der Rohrabschnitt 14a ist an seiner Innenwandung 14c zumindest im Bereich der Einblasöffnung 14b derart konturiert (in 4 nicht explizit dargestellt), dass das Arbeitsmedium in dem Rohrabschnitt 14a eine schraubengangförmige Rotationsströmung ausbildet, wie in 4 schematisch dargestellt.
Die Einblasöffnung 14b ist über eine erste Leitung 15.1 mit einem adiabaten Verdichter 16 für das Arbeitsmedium verbunden.
An seinem der Einblasöffnung 14b gegenüberliegenden Ende 14d weist der Rohrabschnitt 14a eine Ausleiteinrichtung 14e für radial außen innerhalb des Rohrabschnitts 14a strömendes Arbeitsmedium auf, wobei die genannte Ausleiteinrichtung 14e über einen Wärmeüberträger 17 und eine zweite Leitung 15.2 mit der bezogen auf die Leitung 15.1 anderen Seite des Verdichters 16 verbunden ist.
Auf der Seite der Einblasöffnung 14b weist der Rohrabschnitt 14a im Bereich seiner Längsachse L eine weitere Ausleiteinrichtung 14f für entlang der Längsachse L strömendes Arbeitsmedium auf. Die genannte Ausleiteinrichtung 14f ist über einen Wärmeüberträger 18 ebenfalls mit der zweiten Leitung 15.2 und dem Verdichter 16 verbunden.
Die physikalischen Abläufe innerhalb der Strömungsmaschine 1' werden nachfolgend anhand von 5 noch genauer erläutert. Grundlegend gestaltet sich der Betrieb der Strömungsmaschine 1' gemäß 4 wie folgt:
Aus der Leitung 15.1 wird das Arbeitsmedium, vorzugsweise ein Gasgemisch aus Kohlendioxid CO₂ und Stickstoff N₂ durch die Einblasöffnung 14b unter Druck in die Störeinrichtung 14 bzw. den Rohrabschnitt 14a eingeblasen. Dadurch entsteht eine schnelle Wirbelströmung des Arbeitsmediums in dem Rohrabschnitt 14a, welche zu einer räumlichen Trennung der Bestandteile des Arbeitsmediums in das primäre Arbeitsmedium CO₂ und das sekundäre Arbeitsmedium N₂ führt, verbunden mit einem Druck- und Temperaturgradienten innerhalb des Rohrabschnitts 14a in radialer Richtung (höherer Druck und höhere Temperatur außen, geringer Druck und niedrigere Temperatur im Bereich der Längsachse L). Dies führt zu Wärmeströmen innerhalb des Rohrabschnitts 14a von außen in Richtung der Längsachse L.
Während das Arbeitsmedium im Bereich des äußeren Strömungswirbels in Richtung des Rohrendes 14b wandert, strömt das Arbeitsmedium im Bereich der Längsachse L in die entgegengesetzte Richtung. Somit verlässt das radial außen strömende Arbeitsmedium den Rohrleitungsabschnitt über die Ausleitungseinrichtung 14e und gelangt über den Wärmeüberträger 17 und die Leitung 15.2 zum Verdichter 16. Dagegen verlässt das radial innen strömende Arbeitsmedium den Rohrabschnitt 14a über die Ausleitungseinrichtung 14f und gelangt über den Wärmeüberträger 18 und die Leitung 15.2 zum Verdichter 16.
Gemäß 4 erfolgt stromabwärts der Wärmeüberträger 17, 18 ein erneutes Zusammenführen des primären Arbeitsmediums und des sekundären Arbeitsmediums, so dass das Arbeitsmedium anschließend über die Leitung 15.1 wieder in die Störeinrichtung 14 eingeblasen werden kann.
Wie der Fachmann erkennt, fungieren die Ausleiteinrichtungen 14e, 14f als Trenneinrichtung zum wärmetechnischen Trennen der beiden Arbeitsmedien. Über die Wärmeüberträger 17, 18 findet ein Wärmeaustausch mit der Umgebung 8 des Systems bzw. der Strömungsmaschine 1' statt, worauf weiter unten noch genauer eingegangen wird. Speziell nimmt das über den Wärmeüberträger 17 geführte Arbeitsmedium Wärme Q aus der Umgebung auf, während es über den Wärmeüberträger 18 geführte Arbeitsmedium Wärme Q' an die Umgebung 8 abgibt. Dieser Effekt lässt sich zur Realisierung einer Kältemaschine oder einer Wärmepumpe nutzen. Mechanische Arbeit muss der Strömungsmaschine 1' zum Verdichten des Arbeitsmediums in dem Verdichter 16 und zum Einblasen in die Störeinrichtung 14 zugeführt werden.
Wie der Fachmann erkennt, brauchen die Wärmeüberträger 17, 18 nicht wie in 4 schematisch dargestellt angeordnet zu sein. Beispielsweise kann der Wärmeüberträger 17 auch nach Art einer zumindest abschnittsweisen Umhüllung des Rohrabschnitts 14a ausgebildet sein. Gleiches gilt für den Wärmeüberträger 18, welcher beispielsweise nach Art einer Umhüllung der Ausleiteinrichtung 14f ausgebildet sein kann.
5 zeigt schematisch anhand einer Abfolge von Zuständen, die in der genannten Figur mit Zustand 1, Zustand 2, ... bezeichnet sind, die physikalischen Abläufe beim Betrieb der Strömungsmaschine 1' gemäß 4. Die Zustände 1 bis 4 zeigen jeweils einen Querschnitt durch die Strömungseinrichtung 14 bei axial unterschiedlichen Positionen von links nach rechts in 4. Mit anderen Worten: Der Zustand 1 entspricht einem Schnitt in der Nähe der Einblasöffnung 14b, während der Zustand 4 einem Schnitt eher in Richtung des Endes 14d der Störeinrichtung 14 gemäß 4 entspricht. Die Zustände 5 und 6 zeigen jeweils Schnitte durch die Ausleiteinrichtungen 14e, 14f, und zwar stromaufwärts des jeweiligen Wärmeüberträgers 17, 18 (Zustand 5) bzw. im Bereich des jeweiligen Wärmeüberträgers 17, 18 (Zustand 6). Vom Zustand 6 kehrt das System nach Zustand 1 zurück.
Die Zustandsänderungen gemäß 5 laufen bei der Strömungsmaschine 1' gemäß 4 teilweise bis vollständig gleichzeitig bzw. parallel ab. Die 5 ist so zu verstehen, dass die einzelnen beschreibbaren Zustandsänderungen zwar aufeinander aufbauen, trotzdem aber zeitlich und/oder räumlich parallel ablaufen.
Im Zustand 1 wurde das Arbeitsmedium in die Störeinrichtung 14 bzw. den Rohrabschnitt 14a gemäß 1 eingeblasen. Es existiert in dem Rohrabschnitt ein weitgehendes homogenes, allerdings nicht molekülreines Gemisch aus (ohne Beschränkung) zwei Arbeitsmedien (in 5 symbolisiert durch Kreise bzw. Kreuze), deren mittlere Temperatur im Wesentlichen der Umgebungstemperatur entspricht.
Die Umgebungstemperatur ist die Temperatur des Raumes, mit welchem die Maschine Energie austauscht. Dieser Raum muss nicht dem Raum entsprechen, in welchem sich die Maschine körperlich befindet. Die Umgebungstemperatur ist die Temperatur des erstgenannten Raumes.
Der Zustandsänderung von 1 nach 2 ergibt sich aufgrund der durch das Einblasen entstehenden Zentrifugalkräfte, welche die Teilchen (Atome oder Moleküle) des Mediums aufgrund unterschiedlicher Teilcheneigenschaften (z. B. Masse) unterschiedlich radial beschleunigen. Im Zustand 2 liegt dann das Medium in geschichteter Form vor, das heißt mit räumlich getrennten, unterscheidbaren Bereichen, wobei der Druck von innen nach außen zunimmt.
Bei der Zustandsänderung von 2 nach 3 erfolgt ein Wärmeaustausch durch bzw. über die genannten Schichten aufgrund der unterschiedlichen Verdichtung durch die Zentrifugalkraft von innen nach außen sowie aufgrund von Eigenschaftsunterschieden der nunmehr getrennten Arbeitsmedien im Zusammenspiel mit auftretenden thermodynamischen Zustandsänderungen, wobei die Reaktion der Arbeitsmedien auf die Verdichtung von dem jeweils vorliegenden Arbeitsmedium abhängig ist.
Im Zustand 3 liegt dann eine radiale Schichtung insbesondere nach der Temperatur vor. Damit einher geht regelmäßig auch eine Schichtung aufgrund unterschiedlicher Medieneigenschaften. Dabei werden radial außenliegende Schichten eine im Mittel höhere Temperatur als radial innenliegende Schichten aufweisen. Abhängig von der konkreten konstruktiven Ausgestaltung der Maschine bzw. von dem verwendeten Fluidgemisch (den dort enthaltenen Teilchen/Molekülen) kann die Temperaturverteilung jedoch auch umgekehrt ausgebildet werden.
Von Zustand 3 nach 4 kommt es zu einem Wärmestrom durch bzw. zwischen den genannten Schichten auf andere (benachbarte) Schichten. Im Zustand 4 liegt dann aufgrund der genannten Wärmeströme eine homogenere Temperaturverteilung vor. Mit anderen Worten: Der radiale Temperaturgradient ist in Zustand 4 geringer als der radiale Temperaturgradient im Zustand 3. Zusätzlich wird innerhalb des Rohrabschnitts 14a (4) auch noch ein axialer Temperaturgradient vorliegen, worauf an dieser Stelle aber nicht weiter einzugehen ist.
Beim Übergang von Zustand 4 nach 5 erfolgt die Ausleitung der Schichten verbunden mit einer räumlichen Trennung der Schichten, wie bereits weiter oben dargestellt. Im Zustand 5 liegen dann räumlich getrennte Schichten bzw. Arbeitsmedien vor, so dass keine thermodynamische Wechselwirkung mit entsprechenden Zustandsänderungen zwischen den Schichten (Arbeitsmedien) mehr möglich ist. Allerdings liegt im Zustand 5 noch eine inhomogene (radiale) Druckverteilung vor, wie in 5 symbolisch dargestellt.
Im Zuge der Zustandsänderung von Zustand 5 nach Zustand 6 streben die jeweiligen Schichten (Arbeitsmedien) radial ins mechanische Gleichgewicht, das heißt der radialen Druckgradient in den Ausleiteinrichtungen 14e, 14f nimmt ab. Im Zustand 6 ist dann die Temperatur der Schichten (Arbeitsmedien) jeweils ungleich der jeweiligen Temperatur im Zustand 5, da sich die radiale Druckverteilung geändert hat. Über die Wärmeüberträger 17, 18 kommt es zu dem bereits erwähnten Wärmeaustausch mit der Umgebung 8.
Beim Übergang von Zustand 6 nach Zustand 1 werden die Schichten bzw. Medien wieder zusammengeführt und befinden sich wieder auf Umgebungstemperatur.
6 zeigt eine vorteilhafte Weiterbildung der Strömungsmaschine 1' gemäß 4, wobei vorliegend nur auf die wesentlichen Unterschiede zwischen den beiden Ausführungsformen näher eingegangen werden soll. Ansonsten bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichwirkende Elemente.
Die Strömungsmaschine 1' gemäß 6 weist keine Ausleiteinrichtung im Bereich der Längsachse L des Rohrabschnitts 14a auf, sondern besitzt einen von dem Arbeitsmedium in der Störeinrichtung 14 getrennten Kreislauf 19 für ein weiteres Arbeitsmedium, welches im Bereich der Längsachse L des Rohrabschnitts 14a geführt ist und dort Wärme von den radial außenliegenden Schichten des Arbeitsmediums in dem Rohrabschnitt 14a aufnimmt, wie weiter oben ausführlich beschrieben.
Der genannte Kreislauf 19 ist gebildet aus einer geschlossenen umlaufenden Leitung 19a, in welche ein Fördermittel 19b (beispielsweise eine Pumpe) und der Wärmeüberträger 18 geschaltet sind. Das Fördermittel 19b sorgt für die Zirkulation des Mediums in der Leitung 19a; der Wärmeüberträger 18 sorgt – wie bereits geschrieben – für die Abgabe von Wärme Q' an die Umgebung 8.
Die Erläuterungen gemäß 5 behalten auch für die Strömungsmaschine 1' gemäß 6 grundsätzlich Gültigkeit.

Claims

Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Arbeit oder umgekehrt mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses (➀–➅) an einem System mit einem kompressiblen Arbeitsmedium, wobei das Verfahren ausgehend von einem Anfangszustand (➀), in dem sich das Arbeitsmedium im Wesentlichen in einem thermischen Gleichgewicht mit einer Umgebung (8) des Systems befindet, zumindest nachstehende Verfahrensschritte beinhaltet: 1.1) Bewirken einer Störung (➀–➁) des Systems, im Falle der Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Arbeit bei Abfuhr mechanischer Arbeit (W_V12p), wobei in dem Arbeitsmedium wenigstens ein erster Bereich (6) und wenigstens ein von dem ersten Bereich unterscheidbarer zweiter Bereich (7) definiert ist, welche mechanisch und wärmetechnisch selektiv gekoppelt sind, wobei das Arbeitsmedium in dem ersten Bereich als ein primäres Arbeitsmedium vorliegt, welches sich in wenigstens einer thermodynamischen Eigenschaft oder einem thermodynamischen Zustand von dem Arbeitsmedium in dem zweiten Bereich unterscheidet, welches als ein sekundäres Arbeitsmedium vorliegt; 1.2) insbesondere durch die Störung in dem Verfahrensschritt 1.1), Bewirken einer Temperaturdifferenz zwischen dem primären Arbeitsmedium und dem sekundären Arbeitsmedium sowie eines zumindest teilweisen Wärmeübergangs zum Ausgleichen der Temperaturdifferenz (➁–➂; Q_23) zwischen dem primären Arbeitsmedium und dem sekundären Arbeitsmedium; 1.3) Bewirken einer Zufuhr thermischer Energie (Q_56s, Q_67s; Q), insbesondere aus der Umgebung (8), zu mindestens einem der beiden Arbeitsmedien; 1.4) Rückführen (➂–➄) des Systems im Wesentlichen in seinen Anfangszustand (➀), im Falle der Umwandlung von mechanischer Arbeit in thermische Energie bei Abgabe thermischer Energie (Q_67p; Q') durch das gemäß dem Verfahrensschritt 1.3) andere der beiden Arbeitsmedien; 1.5) gegebenenfalls Wiederholen der vorgenannten Verfahrensschritte 1.1)–1.4).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem primären Arbeitsmedium und dem sekundären Arbeitsmedium um molekular oder atomar verschiedene Fluide, vorzugsweise Gase, handelt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem primären Arbeitsmedium und dem sekundären Arbeitsmedium um molekular oder atomar identische Fluide, vorzugsweise Gase, handelt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das primäre Arbeitsmedium und/oder das sekundäre Arbeitsmedium ein angenähert ideales Gas ist, insbesondere Stickstoff.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das primäre Arbeitsmedium und/oder das sekundäre Arbeitsmedium ein reales Gas ist, insbesondere Kohlendioxid, und insbesondere als Nassdampf vorliegt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass entweder das primäre Arbeitsmedium oder das sekundäre Arbeitsmedium, vorzugsweise das primäre Arbeitsmedium, ein reales Gas ist und dass das jeweils andere Arbeitsmedium ein ideales Gas ist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium in dem Anfangszustand als im Wesentlichen einheitliches, homogenes Medium oder als Gemisch vorliegt und dass die Ausbildung des ersten Bereichs mit dem primären Arbeitsmedium und des zweiten Bereichs mit dem sekundären Arbeitsmedium erst im Zuge der Störung gemäß dem Verfahrensschritt 1.1) erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bewirken der Störung gemäß dem Verfahrensschritt 1.1) das Arbeitsmedium in eine vorbestimmte, insbesondere rotierende Strömungsbewegung versetzt wird, insbesondere durch Einblasen in einen an seiner Innenwandung geeignet konturierten Rohrabschnitt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bewirken der wärmetechnischen Trennung der beiden Bereiche gemäß dem Verfahrensschritt 1.3) das primäre Arbeitsmedium und das sekundäre Arbeitsmedium räumlich getrennt werden, insbesondere durch separates Ausleiten aus dem Rohrabschnitt, und dass anschließend in dem Verfahrensschritt 1.4) die beiden Arbeitsmedien wieder zusammengeführt werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das System in dem Anfangszustand (➀) den ersten Bereich (6) und den zweiten Bereich (7) als volumetrisch voneinander getrennte Bereiche aufweist, wobei der erste Bereich (6) das primäre Arbeitsmedium und der zweite Bereich das sekundäre Arbeitsmedium enthält und wobei das System in dem Anfangszustand (➀) einen volumetrischen Ausgangszustand einnimmt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt 1.1) eine insbesondere isentrope Expansion (➀–➁) des primären Arbeitsmediums beinhaltet.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verfahrensschritt 1.1) das Volumen (V₁, V₂) des sekundären Arbeitsmediums im Wesentlichen konstant bleibt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt 1.4) eine Kompression (➂–➄) des primären Arbeitsmediums bis zum Erreichen eines vorbestimmten Zustands des primären Arbeitsmediums beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompression (➂–➄) des primären Arbeitsmediums zumindest phasenweise (➃–➄) mit einer Kompression des sekundären Arbeitsmediums verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verfahrensschritt 1.4) eine insbesondere isentrope Kompression (➂–➃) im Wesentlichen nur des primären Arbeitsmediums bis zum Erreichen eines vorbestimmten Drucks (p_4p) erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verfahrensschritt 1.4) die insbesondere isentrope Kompression (➂–➃) des primären Arbeitsmediums durchgeführt wird, bis zwischen dem primären Arbeitsmedium und dem sekundären Arbeitsmedium im Wesentlichen ein mechanisches Kräftegleichgewicht herrscht.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verfahrensschritt 1.4) eine insbesondere isentrope Kompression (➃–➄) des primären Arbeitsmediums und des sekundären Arbeitsmediums durchgeführt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt 1.4) ausgeführt wird, bis ein bei der Abfuhr mechanischer Arbeit (W_V12p) in dem Verfahrensschritt 1.1) und/oder bei der durchgeführten Kompression (➃–➄) verwendetes Mittel (3) im Wesentlichen wieder seine Anfangsstellung (13) gemäß dem Anfangszustand (➀) erreicht hat.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt 1.3) eine Expansion des sekundären Arbeitsmediums beinhaltet.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt 1.3) eine Kompression (➄–➆) des primären Arbeitsmediums beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompression (➄–➆) des primären Arbeitsmediums durch das sekundäre Arbeitsmedium erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompression (➄–➆) des primären Arbeitsmediums durchgeführt wird, indem dem sekundären Arbeitsmedium Wärme (Q_56s, Q_67s) zugeführt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompression (➄–➆) eine insbesondere isentrope Kompression (➄–➅) des primären Arbeitsmediums bis zum Erreichen einer vorbestimmten Temperatur des primären Arbeitsmediums beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die insbesondere isentrope Kompression (➄–➅) des primären Arbeitsmediums durchgeführt wird, bis die Temperatur des primären Arbeitsmediums im Wesentlichen der anfänglichen Temperatur des primären Arbeitsmediums entspricht.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompression (➄–➆) eine insbesondere isotherme und/oder isobare Kompression (➅–➆) des primären Arbeitsmediums beinhaltet, bis der Anfangszustand (➀) im Wesentlichen wieder hergestellt ist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Verfahrensschritt 1.3) zugeführte Wärme (Q_56s, Q_67s) zumindest teilweise der Umgebung (8) entnommen wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Verfahrensschritt 1.3) zugeführte Wärme (Q_56s, Q_67s) zumindest teilweise mittels einer zusätzlichen Wärmequelle (10) zugeführt wird.
Thermodynamische Maschine (1) zum Umwandeln von thermischer Energie in mechanische Arbeit mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses (➀–➅) gemäß dem Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 oder 10 bis 27, umfassend einen ersten Bereich (6), der das primäre Arbeitsmedium enthält, und einen zweiten Bereich (7), der das sekundäre Arbeitsmedium enthält, wobei die Bereiche (6, 7) mechanisch und wärmetechnisch selektiv gekoppelt sind, so dass zwischen den Bereichen (6, 7) zumindest phasenweise ein ausgleichender, insbesondere masseloser Wärmeübergang ermöglicht (12) ist, wobei in Wirkverbindung mit dem ersten Bereich (6) und/oder dem zweiten Bereich (7) Mittel (3) zum Abführen der mechanischen Arbeit (W_V12p) vorgesehen sind, und wobei der erste Bereich (6) und/oder der zweite Bereich (7) zum zumindest phasenweisen Aufnehmen von Wärme (Q_56s, Q_67s) aus der Umgebung (8) und/oder von einer zusätzlichen Wärmequelle (10) ausgebildet ist.
Maschine (1) nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (6) und der zweite Bereich (7) innerhalb eines gemeinsamen Zylinders (2) angeordnet sind.
Maschine (1) nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (3) zum Abführen der mechanischen Arbeit (W_V12p) als Arbeitskolben ausgebildet sind, welcher den Zylinder (2) insbesondere nach außen abschließt.
Maschine (1) nach Anspruch 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Bereichen (6, 7) eine bewegliche Abtrennung (4) vorgesehen ist, die insbesondere als Freikolben innerhalb des Zylinders (2) ausgebildet ist.
Maschine (1) nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Zylinders (2) eine Struktur (5) zum Begrenzen der Bewegung der beweglichen Abtrennung (4) vorgesehen ist, welche insbesondere ein maximales Volumen des zweiten Bereichs (7) definiert.
Thermodynamische Maschine (1') zum Umwandeln von mechanischer Arbeit in thermische Energie mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses (➀–➅) gemäß dem Verfahren nach zumindest Anspruch 1 und insbesondere nach Anspruch 8 oder 9, umfassend: – eine Störeinrichtung (14), insbesondere mit einem innen konturierten Rohrabschnitt (14a), zum Bewirken der Störung gemäß dem Verfahrensschritt 1.1), insbesondere beim Einleiten des Arbeitsmediums in die Störeinrichtung (14), so dass sich in dem Arbeitsmedium der erste Bereich und der zweite Bereich ausbilden, welche mechanisch und wärmetechnisch selektiv gekoppelt sind, wobei das Arbeitsmedium in dem ersten Bereich als das primäre Arbeitsmedium vorliegt, welches sich in wenigstens einer thermodynamischen Eigenschaft oder einem thermodynamischen Zustand von dem sekundären Arbeitsmedium in dem zweiten Bereich unterscheidet; – eine Einrichtung (14, 14a), insbesondere diejenige zum Bewirken der Störung, zum Bewirken einer Temperaturdifferenz zwischen dem primären Arbeitsmedium und dem sekundären Arbeitsmedium sowie eines zumindest teilweisen Wärmeübergangs zum Ausgleichen der Temperaturdifferenz zwischen dem primären Arbeitsmedium und dem sekundären Arbeitsmedium; – eine Einrichtung (17) zum Bewirken einer Zufuhr thermischer Energie (Q), insbesondere aus der Umgebung (8), zu mindestens einem der beiden Arbeitsmedien; – eine Rückführeinrichtung (15.2) zum Rückführen (➂–➄) des Systems im Wesentlichen in seinen Anfangszustand (➀) bei Abgabe (18) thermischer Energie (Q') durch das andere der beiden Arbeitsmedien.
Maschine (1') nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Störeinrichtung (14) einen an seiner Innenwandung (14) konturierten Rohrabschnitt (14a) und eine Einblasvorrichtung (14b) zum Einblasen des Arbeitsmediums in den Rohrabschnitt (14a) aufweist.
Maschine (1') nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Konturierung des Rohrabschnitts (14a) zum Bewirken der Störung gemäß dem Verfahrensschritt 1.1) ausgebildet ist, insbesondere schraubengangförmig, so dass das Arbeitsmedium beim Einblasen in eine rotierende Strömungsbewegung versetzt wird.
Maschine (1') nach Anspruch 34 oder 35, gekennzeichnet durch Mittel (14e, 14f) zum Bewirken einer räumlichen Trennung des primären Arbeitsmediums und das sekundäre Arbeitsmediums, insbesondere durch separates Ausleiten aus dem Rohrabschnitt (14a) oder durch getrenntes Führen (19) der beiden Arbeitsmedien in dem Rohrabschnitt (14a).
Maschine (1') nach Anspruch 36, gekennzeichnet durch Mittel (15.2) zum Zusammenführen der beiden Arbeitsmedien, welche der Störeinrichtung (14) und der Trenneinrichtung (14e, 14f) nachgeschaltet sind.
Maschine (1') nach mindestens einem der Ansprüche 33 bis 37, gekennzeichnet durch wenigstens ein insbesondere gemeinsames Verdichtermittel (16) für das primäre und/oder für das sekundäre Arbeitsmedium.