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Oberbegriff
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Verfahren eines Kreisprozesses, vergleichbar mit dem Stirlingprozess, zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine, die ein zur Umgebung hin geschlossenes System bildet, in welchem sich ein Arbeitsmittel befindet, wessen spezifisches Volumen, unter Verrichtung von Arbeit, durch äußere Wärmezufuhr bei hohem Druck vergrößert wird und danach durch äußere Wärmeabfuhr abgekühlt und bei niedrigerem Druck wieder komprimiert wird, wonach der Prozess von Neuem beginnt.
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Beschreibung
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Beschreibung allgemein
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren, als rechtsläufiger Kreisprozess zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine nach Patentanspruch 1 und als linksläufiger Kreisprozess zum Betreiben einer Kälteanlage oder Wärmepumpe nach Patentanspruch 4.
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Technisches Gebiet
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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der thermodynamischen Kreisprozesse zum Antrieb von Wärmekraftmaschinen. Thermodynamische Kreisprozesse sind Abfolgen von Zustandsänderungen eines Arbeitsmediums in einem geschlossenen System. Durch zu- und abgeführte Wärme werden Zustandsgrößen wie Druck, Temperatur und spezifisches Volumen des Arbeitsmediums verändert, wodurch Arbeit abgegeben oder aufgenommen werden kann. Es gibt rechtsläufige Prozesse, bei denen ein Wärmegefälle in Arbeit gewandelt wird und linksläufige Prozesse, bei denen Arbeit in ein Wärmegefälle gewandelt wird.
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Stand der Technik
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Verschiedene bekannte rechtsläufige thermodynamische Kreisprozesse für Wärmekraftmaschinen sind z. B.: Der Clausius Rankine Prozess, welcher zum Antrieb von Dampfturbinen in Kraftwerken genutzt wird, der Organic Rankine Cycle, welcher bei niedrigeren Temperaturbereichen, wie z. B. Kraftwerksabwärme Verwendung findet und der Stirlingprozess, welcher nur geringe Temperaturdifferenzen (min. 10 K Differenz) benötigt und hauptsächlich für Sonderanwendungen genutzt wird. Bekannte linksläufige Kreisprozesse sind z. B.: Der im Klimabereich genutzte Prozess für Kompressionskälteanlagen und der Stirlingprozess, welcher bei den linksläufigen wie auch bei den rechtsläufigen Prozessen hauptsächlich für Sonderanwendungen genutzt wird. Allgemein versucht man beim Betrieb von Wärmekraftmaschinen anhand verschiedenster Prozesse möglichst nahe an den idealen Vergleichsprozess nach Carnot zu kommen, um hohe Wirkungsgrade zu erreichen. Theoretisch erreicht der Stirling-Kreisprozess den Carnot-Wirkungsgrad und kann zusätzlich schon bei geringen Temperaturdifferenzen Arbeit verrichten, wodurch Energien, wie Abwärme von Kraftwerken oder der Erdölraffination, in mechanische Arbeit gewandelt werden können. Diese vorhandenen, billigen Energien werden zurzeit wegen riesiger benötigter Baugrößen aufgrund der geringen Expansion des Arbeitsgases nicht mit dem Stirlingprozess genutzt. Weitere Gründe sind hohe Ansprüche an die Fertigungsqualität und das Arbeitsgas, wodurch hohe Kosten entstehen.
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Aufgabe
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Als nächstkommenden Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Vorteile des Stirlingprozesses mit deutlich kleineren Baugrößen und geringerem Produktionsaufwand zu vereinen.
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Lösung
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Kennzeichnende Merkmale
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt in thermodynamischer Hinsicht als rechtsläufiger Prozess für Wärmekraftmaschinen durch die Merkmale des Patentanspruches 1 und als linksläufiger Prozess für Kältemaschinen und Wärmepumpen durch die Merkmale des Patentanspruches 4. Der neuartige thermodynamische Kreisprozess ist dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel seinen Aggregatzustand im Expansionsraum während des Arbeitsvorganges ändert. Durch die Aggregatszustandsänderung, z. B. Verdampfung, erreicht das Arbeitsmittel zwischen den verschiedenen Prozessschritten deutlich größere Differenzen seines spezifischen Volumens. Die nutzbare, mechanische Arbeit während einer Expansion ist in direkter Abhängigkeit des Druckes und der Volumenänderung. Während einer Verdampfung eines Arbeitsmittels bleibt der Dampfdruck in Abhängigkeit von der Verdampfungstemperatur konstant und das spezifische Volumen steigt sehr stark an, wodurch große mechanische Energie frei wird. Bei der bereits vom Stirlingprozess bekannten reinen Gasexpansion dehnt sich das Arbeitsmittel deutlich weniger aus.
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Maschinen, die nach dem neuartigen rechtsläufigen Kreisprozess arbeiten, bestehen aus einem oder mehreren Expansionsräumen sowie einem oder mehreren Verflüssigungsräumen. Den Expansionsräumen wird Wärme zugeführt, den Verflüssigungsräumen wird Wärme entzogen. Das zu betrachtende System ist mit einem Arbeitsmittel gefüllt und zur Umgebung hin dicht. In den Expansionsräumen wird durch die von außen zugeführte Wärme bei hoher Temperatur das zu Anfang flüssige Arbeitsmittel bei hohem Druck verdampft, wodurch sich das spezifische Volumen des Arbeitsmittels um ein Vielfaches vergrößert und nutzbare Arbeit mit Hilfe einer Wärmekraftmaschine abgegeben wird. Nach dem Expansionsvorgang wird das Arbeitsmittel in einen Verflüssigungsraum verschoben. Im Verflüssigungsraum wird dem Arbeitsmittel von außen Wärme bei niedrigerer Temperatur entzogen, wodurch es bei geringerem Druck als in den Arbeitsräumen verflüssigt wird und dadurch sein spezifisches Volumen deutlich verringert. Nach dem Verflüssigungsvorgang wird das Arbeitsmittel wieder in einen Expansionsraum verschoben und der Prozess beginnt von Neuem.
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Dieser Prozess kann auch als Linksläufiger für eine Kälteanlage oder Wärmepumpe verwendet werden. Dann besteht das System ebenso aus einem oder mehreren Expansionsräumen und einem oder mehreren Verflüssigungsräumen. Das System ist mit einem Arbeitsmittel gefüllt und zur Umgebung hin dicht. In den Expansionsräumen wird durch zugeführte mechanische Energie das zu Beginn flüssige Arbeitsmittel expandiert, wodurch das spezifische Volumen des Arbeitsmittels vergrößert wird und es unter Aufnahme von Wärmeenergie, der Verdampfungsenthalpie, verdampft. Nach dem Verdampfungsvorgang wird das Arbeitsmittel in einen Verflüssigungsraum verschoben und durch zugeführte mechanische Arbeit komprimiert. Das spezifische Volumen des Arbeitsmittels wird unter Arbeitsaufwand verkleinert, wodurch es unter Abgabe von Wärmeenergie, der Verflüssigungsenthalpie, bei erhöhtem Druck verflüssigt. Nach dem Verflüssigungsvorgang wird das Arbeitsmittel wieder in einen Expansionsraum verschoben und der Prozess beginnt von Neuem.
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1 zeigt einen Aufbau einer beispielhaften Ausgestaltung einer Wärmekraftmaschine in Flügelzellenbauweise.
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2 zeigt die lokale Position der verschiedenen Bereiche des Prozessablaufes einer Wärmekraftmaschine in Flügelzellenbauweise.
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Die beispielhafte Ausgestaltung einer Wärmekraftmaschinenvorrichtung nach 1 umfasst einen Rotor 1, der mit Nuten versehen ist, in welchen Drehschieber 2 beweglich geführt sind. Die Drehschieber werden z. B. durch Federn so weit aus den Nuten gedrückt, bis sie am Gehäuse 3 anstehen. Das Gehäuse ist durch einen Isolator 4 in zwei Wärmebereiche getrennt: Einen warmen Bereich, der durch einen Wärmestrom 7 geheizt wird und einen kalten Bereich, der durch einen Wärmestrom 8 gekühlt wird. Während des Betriebes wird durch die spezifische Volumenänderung des Arbeitsmittels über den Rotor in der Drehrichtung 9 mechanische Arbeit abgegeben. Durch den genannten Aufbau bilden sich mehrere geschlossene Kammern, die, begrenzt durch das Gehäuse, durch den Rotor und je zwei Drehschieberwände zur Umgebung und zu anderen Kammern hin dicht sind. In jeder Kammer befindet sich die nahezu gleiche Masse eines Arbeitsmediums, das je nach den gegebenen Randbedingungen, wie z. B. vorgegebene Heiz- und Kühltemperatur, ausgewählt wird. Das Arbeitsmittel, z. B. ein Kältemittel, befindet sich während des Prozesses im Nassdampfgebiet und ist dadurch teilweise gasförmig 5 und teilweise flüssig 6.
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Anhand 2 sind vier verschiedene Bereiche des Prozessablaufes gekennzeichnet. Im Feld A befindet sich der Expansionsbereich, im Feld B der erste Wechselbereich, im Feld C der Verdichtungsbereich und im Feld D der zweite Wechselbereich.
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Jede der zwischen den Drehschiebern entstehenden Kammern bildet ein eigenes System, welches durch die entstehende Drehung des Rotors die verschiedenen Bereiche des Prozessablaufes durchläuft. Bei anderen Realisierungen der Wärmekraftmaschine, wie z. B. bei einer Hubkolbenbauart, kann das System in einer anderen Anordnung, z. B. aus einem Arbeitsraum und einem damit verbundenen Verflüssigungsraum bestehen. Im folgenden Abschnitt wird ein Systemzyklus in einer Kammer betrachtet, die vom Rotor durch die verschiedenen Prozessschritte bewegt wird.
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Im durch 2 verdeutlichten Beispiel wird beginnend mit dem Arbeitsvorgang im Expansionsbereich A dem zu Anfang flüssigen Arbeitsmittel anhand der zugeführten Wärme Energie zugeführt. Hierdurch steigt der Dampfdruck, das Arbeitsmittel verdampft unter Aufnahme der Verdampfungsenthalpie und dehnt sich stark aus. Durch die Volumenvergrößerung wird der Rotor mit den Flügelzellen in Bewegung gesetzt und gibt mechanische Arbeit ab. Einer betrachteten Kammer, die sich im Expansionsbereich befindet, gibt das Arbeitsmittel so lange mechanische Arbeit ab, bis das Arbeitsmittel zum größten Teil verdampft ist und die Kammer ihr maximales Volumen erreicht hat. Durch die Drehbewegung verlässt die betrachtete Kammer in ihrem größten Volumen den beheizten Bereich über den Isolator, den ersten Wechselbereich B, und erreicht danach den gekühlten Verdichtungsbereich C. Hier wird dem Arbeitsmittel Wärme entzogen, wodurch der Dampfdruck sinkt und das Arbeitsmittel unter Abgabe der Verflüssigungsenthalpie verflüssigt wird. Sein spezifisches Volumen wird dadurch stark verringert. Nach dem Verdichtungsvorgang ist das Arbeitsmittel nahezu vollständig verflüssigt und wird durch die Rotorbewegung in der betrachteten Kammer über den zweiten Wechselbereich D wieder zum Ausgangspunkt, den Expansionsbereich A, verschoben. Das thermodynamische System in der betrachteten Kammer befindet sich nun wieder im Ausgangszustand und der Prozess beginnt von Neuem.
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3 zeigt einen Aufbau einer beispielhaften Ausgestaltung einer Wärmekraftmaschine in Hubkolbenbauweise.
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Die beispielhafte Ausgestaltung einer Wärmekraftmaschinenvorrichtung nach 3 und Patentanspruch 3 umfasst einen Expansionszylinder, welcher einen Expansionskolben 11 führt und einen Verdichtungszylinder, welcher einen Verdichtungskolben 12 führt. Expansions- und Verdichtungszylinder sind durch ein Verbindungsstück 13, z. B. einen Schlauch, miteinander verbunden. Der Expansionskolben treibt einen Kurbeltrieb 14 unter Abgabe von mechanischer Arbeit an. Der Kurbeltrieb ist mechanisch mit einer Nockenwelle verbunden, die eine Nocke 15 besitzt, welche den Verdichtungskolben positioniert. Dem Expansionszylinder wird die Wärmeenergie 18 bei hoher Temperatur zugeführt und dem Verdichtungszylinder wird die Wärmeenergie 19 bei niedriger Temperatur abgeführt. Im System befindet sich ein Arbeitsmittel, das sich teilweise in flüssigem 17 Aggregatzustand und teilweise im gasförmigen 18 Aggregatzustand befindet. Das Arbeitsmittel wird anhand gegebener Randbedingungen gewählt.
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Der Prozessablauf ist in vier Vorgänge gegliedert: Expansionsvorgang A, erster Wechselvorgang B, Verdichtungsvorgang C und zweiter Wechselvorgang D.
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Beginnend mit dem arbeitsverrichtenden Expansionsvorgang, ist das Arbeitsmittel durch den Verdichtungskolben vollständig in den Expansionszylinder verdrängt. Das zu Anfang flüssige Arbeitsmittel wird anhand der zugeführten Wärme im Expansionszylinder erwärmt. Dadurch steigt der Dampfdruck an, das Arbeitsmittel verdampft und expandiert sehr stark unter Aufnahme der Verdampfungsenthalpie. Durch die Volumenvergrößerung wird der Expansionskolben nach oben geschoben, mechanische Arbeit verrichtet und die Kurbelwelle in Drehung versetzt. Die von der Kurbelwelle abhängige Nockenwelle dreht sich mit der gleichen Geschwindigkeit. Eine Nocke der Nockenwelle hält bedingt durch ihre Kontur den Verdichtungskolben während des Expansionsvorganges in der oberen Position.
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Wenn der Expansionskolben die obere Position erreicht und das Arbeitsmittel nahezu vollständig verdampft ist, folgt der erste Wechselvorgang. Durch den Absatz in der Nockenkontur wird der Verdichtungskolben durch den Systemüberdruck relativ zur Umgebung nach außen gedrückt und der Verdichtungszylinder erreicht dadurch sein maximales Volumen. Im Verdichtungszylinder fällt der Dampfdruck nun ab, in Abhängigkeit von der Temperatur der dem Verdichtungszylinder abgeführten Wärme.
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Während des Verdichtungsvorganges strömt nun das Arbeitsmittel, angetrieben durch das Druckgefälle zwischen Expansions- und Verdichtungszylinder und durch die Abbewegung des Expansionskolbens, durch das Verbindungsstück in den Verdichtungszylinder. Dort wird es durch die vom Zylinder abgeführte Wärme gekühlt und unter Abgabe der Verflüssigungsenthalpie verflüssigt, wodurch das spezifische Volumen des Arbeitsmittels sehr stark abnimmt. Wenn das Arbeitsmittel durch den Expansionskolben aus dem Expansionszylinder verdrängt ist und sich nahezu vollständig verflüssigt im Verdichtungszylinder befindet, folgt der zweite Wechselvorgang.
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Der Expansionskolben bewegt sich nach dem unteren Totpunkt wieder nach oben und die Nocke drückt, bedingt durch ihre Kontur, den Verdichtungskolben mit der Bewegung der Kurbelwelle nach oben. Das Arbeitsmittel wird durch den Verdichtungskolben aus dem Verdichtungszylinder durch das Verbindungsstück in den Expansionszylinder verdrängt, wonach der Zyklus von Neuem beginnt.
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Der neuartige Kreisprozess kann als linksläufiger auch zur Kälteerzeugung genutzt werden. Die bereits erklärte beispielhafte Ausgestaltung der Wärmekraftmaschine als Flügelzellenbauweise nach 1 wird für diesen Prozess noch einmal zur Verdeutlichung verwendet: Durch Arbeitsaufwand wird der Rotor in die nach 1 dargestellte Richtung 9 bewegt. Durch die erzwungene Volumenvergrößerung der Kammern im Expansionsbereich A nach 2 wird das Arbeitsmittel durch Vergrößerung seines spezifischen Volumens verdampft und Wärmeenergie 7 aufgenommen. Nach dem Expansionsvorgang erreicht das System durch die Rotorbewegung den Verdichtungsbereich C. Hier wird das Arbeitsmittel komprimiert und unter Abgabe von Wärmeenergie 8 verflüssigt.
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Vorteile
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Gegenüber dem Stirlingprozess wird das Arbeitsmittel während dem Arbeitsprozess des neuartigen Kreisprozesses nicht nur als Gas expandiert, sondern aus dem flüssigen Zustand verdampft. Hierbei vergrößert sich das spezifische Volumen des Arbeitsmittels um ein Vielfaches stärker als bei einer reinen Gasexpansion ohne Aggregatszustandsänderung, wodurch deutlich höhere Leistungen bei gleicher Baugröße erreicht werden. Durch eine breitere Auswahl von verschiedenen verwendbaren Arbeitsmitteln und durch den einfacheren Aufbau der Maschinen, die nach diesem Prozess betrieben werden, ist die Realisierung deutlich kostengünstiger
