DE102017127402A1 - Method for utilizing low temperature differences for operating heat engines, which are designed for the conversion of heat energy into mechanical energy - Google Patents

Method for utilizing low temperature differences for operating heat engines, which are designed for the conversion of heat energy into mechanical energy Download PDF

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    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie mittels Wärmekraftmaschine unter Nutzung geringster Temperaturdifferenzen, wobei eine gezielte Anpassung der Wärmekapazität des verwendeten Arbeitsfluides durchgeführt wird.The invention relates to a method for converting heat energy into mechanical energy by means of a heat engine using the lowest temperature differences, with a targeted adjustment of the heat capacity of the working fluid used is performed.

Description

Der Carnot-Wirkungsgrad ist der höchste theoretische Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie. Die beim Carnot-Wirkungsgrad verwendete Gleichung vernachlässigt die Änderbarkeit der Wärmekapazität des Arbeitsfluides.Carnot efficiency is the highest theoretical efficiency in converting thermal energy into mechanical energy. The equation used in Carnot efficiency neglects the variability of the heat capacity of the working fluid.

Erster Hauptsatz der Thermodynamik: ΔW = ΔU - ΔQ
Carnot-Wirkungsgrad: ηc = 1 - Tk/Tw
Wirkungsgrad Wärmekraftmaschine: η= W/Qzu First law of thermodynamics: ΔW = ΔU - ΔQ
Carnot efficiency: η c = 1 - T k / T w
Heat engine efficiency: η = W / Q too

Dabei ist ΔQ die Differenz zwischen der zugeführten Wärme und der abgeleiteten Wärme. Die Änderung der inneren Energie wird mit ΔU beschrieben. Die nutzbare Arbeit ist W.Where ΔQ is the difference between the heat input and the heat dissipated. The change of internal energy is described by ΔU. The usable work is W.

Bei Carnot wird ΔU = ΔT gesetzt. Es ist jedoch zu beachten, dass ΔU im gleichen Maße von der Wärmekapazität c wie von der Temperatur T abhängig ist.Carnot sets ΔU = ΔT. It should be noted, however, that ΔU equals heat capacity c as of the temperature T is dependent.

Bei realen Wärmekraftmaschinen mit geringen Temperaturunterschieden wird die Leistung hauptsächlich durch den möglichen Wärmeübergang vom warmen Potential in das Arbeitsfluid bestimmt und der thermische Wirkungsgrad durch die Abwärme an die Umgebung. Der Carnot-Wirkungsgrad kann dabei als Orientierung dienen, ist aber keine physikalische Grenze.In real heat engines with low temperature differences, the power is mainly determined by the possible heat transfer from the warm potential into the working fluid and the thermal efficiency of the waste heat to the environment. The Carnot efficiency can serve as an orientation, but is not a physical limit.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht darauf, dass je weniger Wärme, bei gleicher Leistung P, an die Umwelt abgegeben wird, desto größer ist der thermische Wirkungsgrad. Um das zu erreichen, sind hohe Temperaturen nicht geeignet.The inventive method is based on the fact that the less heat, with the same power P , is discharged to the environment, the greater the thermal efficiency. To achieve this, high temperatures are not suitable.

Das Verhalten von realen Gasen im Vergleich zu idealen Gasen ist nicht grundsätzlich negativ bezüglich des thermischen Wirkungsgrades. Bei idealen Gasen wird das Verhältnis von isochorer zu isobarer Wärmekapazität als konstant vorausgesetzt. Damit ist der Wirkungsgrad ausschließlich von der Temperaturdifferenz abhängig. Bei der Verwendung von realen Stoffeigenschaften ergibt sich bei der Berechnung des Wirkungsgrades zumeist ein viel ungünstigerer Wert als bei Carnot. Es ist aber möglich, mittels Wärmetauscher, Wärmespeicher und gezielter Isolation die ungünstigen Bereiche der realen Gase von den Peripheriestellen fern zu halten.The behavior of real gases compared to ideal gases is not fundamentally negative in terms of thermal efficiency. For ideal gases, the ratio of isochoric to isobaric heat capacity is assumed to be constant. Thus, the efficiency depends exclusively on the temperature difference. When using real substance properties, the calculation of the efficiency usually results in a much less favorable value than in Carnot. However, it is possible to keep the unfavorable areas of the real gases away from the peripherals by means of heat exchangers, heat storage and targeted insulation.

Die thermodynamischen Kreisprozesse werden am Laufen gehalten, indem dem warmen Arbeitsfluid Wärme hinzugefügt und dem kalten Arbeitsfluid Wärme entzogen wird. Je geringer die Wärmekapazität des Arbeitsfluides zu den Zeitpunkten der Wärmezufuhr und Wärmeableitung im Vergleich zu den anderen im System befindlichen Wärmekapazitäten des Fluides ist, desto größer ist der thermische Wirkungsgrad.The thermodynamic cycles are kept running by adding heat to the warm working fluid and removing heat from the cold working fluid. The lower the heat capacity of the working fluid at the times of heat input and heat dissipation compared to the other in-system heat capacities of the fluid, the greater the thermal efficiency.

Das neuartige Verfahren ist bei allen Bauarten von Wärmekraftmaschinen anwendbar, die für die Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie mit geringen Temperaturunterschieden arbeiten. Als Voraussetzung ist hierbei zu nennen, dass eine signifikante Änderbarkeit der Wärmekapazität des verwendeten Arbeitsfluides zwischen den zur Verfügung stehenden Temperaturpotentialen vorliegt.The novel process is applicable to all types of heat engines that work to convert thermal energy into mechanical energy with low temperature differences. As a prerequisite here is to mention that there is a significant changeability of the heat capacity of the working fluid used between the available temperature potentials.

Die Wärmekapazität eines Arbeitsfluides ist für jede Zustandsänderung mittels ΔU und ΔW ermittelbar.The heat capacity of a working fluid can be determined for each change of state by means of ΔU and ΔW.

Die isobare Wärmekapazität am Beispiel von Kohlenstoffdioxid bei einer Temperatur von 32 °C und einem Druck von 75,5 bar ist ca. 90-mal größer als die isochore Wärmekapazität. Die Abweichung zum idealen Gas beträgt bei dieser Konstellation über 7000 Prozent und ist mit realen Anlagen, trotz Reibungs- und Strömungsverlusten, anwendbar.The isobaric heat capacity on the example of carbon dioxide at a temperature of 32 ° C and a pressure of 75.5 bar is about 90 times greater than the isochoric heat capacity. The deviation from the ideal gas in this constellation is more than 7000 percent and can be used with real systems, despite friction and flow losses.

In der nachfolgenden 2 sind die entsprechenden Messergebnisse dargestellt.In the following 2 the corresponding measurement results are shown.

Das neue Verfahren wird am Beispiel von Kohlenstoffdioxid beschrieben. Kohlenstoffdioxid hat den Vorteil, dass dessen kritischer Punkt in der Nähe der Umgebungstemperatur liegt. In der Nähe des kritischen Punktes eines Arbeitsfluides zeigen sich deutlich höhere Wärmekapazitäten. Das betrifft nicht nur die isobare- und isochore Wärmekapazität, sondern auch die Wärmekapazitäten bei allen anderen Zustandsänderungen. 1 zeigt den Verlauf der isobaren Wärmekapazität cp von Kohlenstoffdioxid in Abhängigkeit von Druck und Temperatur.The new process is described using the example of carbon dioxide. Carbon dioxide has the advantage that its critical point is close to the ambient temperature. Near the critical point of a working fluid are significantly higher heat capacities. This not only affects the isobaric and isochoric heat capacity, but also the heat capacity in all other state changes. 1 shows the course of the isobaric heat capacity c p of carbon dioxide as a function of pressure and temperature.

Unter Ausnutzung der Änderbarkeit der Wärmekapazität ist in einem bestimmten Temperaturbereich ein deutlich höherer Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine erreichbar, als es im Allgemeinen durch den Carnot'schen Wirkungsgrad beschrieben wird. Eine erhöhte Wärmekapazität führt auch zu einer erhöhten Arbeitsfähigkeit des Arbeitsfluides, wie die Messwerte in 4 zeigen. Die Druck- oder Volumenänderungen sind bei gleicher Temperaturdifferenz größer.Taking advantage of the changeability of the heat capacity a significantly higher efficiency of a heat engine can be achieved in a certain temperature range, as it is generally described by the Carnot's efficiency. An increased heat capacity also leads to an increased working capacity of the working fluid, such as the measured values in 4 demonstrate. The pressure or volume changes are greater at the same temperature difference.

Das Diagramm in 3 verdeutlicht das Verhältnis von Wärmekapazität bei konstantem Druck cp zu der Wärmekapazität bei konstantem Volumen cv am Beispiel von Kohlenstoffdioxid im Druckbereich von 30 bar bis 110 bar und im Temperaturbereich von 28 °C bis 34 °C. Bei idealen Gasen wird dieses Verhältnis der Wärmekapazitäten von cp zu cv als konstant vorausgesetzt.The diagram in 3 illustrates the ratio of heat capacity at constant pressure c p to the heat capacity at constant volume c v on the example of carbon dioxide in the pressure range of 30 bar to 110 bar and in the temperature range of 28 ° C to 34 ° C. For ideal gases, this ratio of the heat capacities from c p to c v is assumed to be constant.

Die 5 zeigt einen Kreisprozess mit Wärmetauscher. Dabei ist ein Zylinder 1 dargestellt, der im oberen Abschnitt mit dem Warmbereich 8 und im unteren Abschnitt mit dem Kaltbereich 5 verbunden ist. Das Zylindervolumen wird durch den Kolben 2 begrenzt. Innerhalb des Zylinders 1 befinden sich das Arbeitsfluid 4, der Wärmetauscher 7 und der Isolator 10. Die Temperatur des Arbeitsfluides 4 ist bei diesem Prozess nicht homogen. Im oberen Abschnitt ist es wärmer als im unteren. The 5 shows a cycle with heat exchanger. There is a cylinder 1 shown in the upper section with the warm area 8th and in the lower section with the cold area 5 connected is. The cylinder volume is through the piston 2 limited. Inside the cylinder 1 are the working fluid 4 , the heat exchanger 7 and the insulator 10 , The temperature of the working fluid 4 is not homogeneous in this process. The upper section is warmer than the lower section.

Im ersten Schritt erfolgt die Expansion. Dabei bewegt sich der aufgeheizte Wärmetauscher 7 nach unten in den Kaltbereich des Arbeitsfluides 4. Der Wärmetauscher 7 gibt dabei Wärme an das Arbeitsfluid 4 ab, und der Druck des Arbeitsfluides steigt. Die Geschwindigkeit der Wärmeabgabe wird von der Größe der inneren Oberfläche des Wärmetauschers 7 bestimmt. Der Wärmetauscher 7 fungiert gleichzeitig als Verdrängerkolben. Der Kolben 2 bewegt sich bei möglichst hohem Druck nach oben. Die notwendige Wärme kommt dabei hauptsächlich aus dem Wärmetauscher 7, dessen Wärmekapazität größer als die des Arbeitsfluides 4 ist.The first step is the expansion. The heated heat exchanger moves 7 down into the cold region of the working fluid 4 , The heat exchanger 7 gives heat to the working fluid 4 off , and the pressure of the working fluid is rising. The rate of heat dissipation is determined by the size of the inner surface of the heat exchanger 7 certainly. The heat exchanger 7 simultaneously acts as a displacer. The piston 2 moves up at the highest possible pressure. The necessary heat comes mainly from the heat exchanger 7 whose heat capacity is greater than that of the working fluid 4 is.

Im zweiten Schritt erfolgt die isochore Abkühlung. Der Kolben 2 bleibt an seiner Position. Der Wärmetauscher 7 bewegt sich zusammen mit dem Isolator 10 nach oben und verdrängt einen Anteil des Arbeitsfluides 4 in den Kaltbereich 5. Der größere Masseanteil des Arbeitsfluides 4 befindet sich dann im Kaltbereich 5, da der im Warmbereich 8 verbliebene Anteil eine geringere Dichte aufweist. Durch die Abkühlung bei konstantem Volumen ist die Wärmekapazität des Arbeitsfluides gering und die Abwärme an den Kaltbereich 5 ist entsprechend klein. Der Warmbereich 8 ist teilweise isoliert. Der Druck des Arbeitsfluides 4 fällt auf den niedrigsten Wert des gesamten Kreisprozesses.In the second step isochronous cooling takes place. The piston 2 stays in place. The heat exchanger 7 moves together with the insulator 10 upward and displaces a portion of the working fluid 4 in the cold area 5 , The larger mass fraction of the working fluid 4 is then in the cold area 5 because of the warm area 8th remaining proportion has a lower density. By cooling at a constant volume, the heat capacity of the working fluid is low and the waste heat to the cold area 5 is correspondingly small. The warm area 8th is partially isolated. The pressure of the working fluid 4 falls to the lowest value of the entire cycle.

Der dritte Schritt beinhaltet die Isolierung des Kaltbereichs 5. Der Isolator 10 bewegt sich nach unten.The third step involves isolating the cold area 5 , The insulator 10 moves down.

Im vierten Schritt wird das Arbeitsfluid 4 komprimiert. Der Kolben 2 bewegt sich nach unten in die Startposition von Schritt Eins. Den Hauptanteil der Kompressionswärme nimmt der Wärmetauscher 7 auf. Eine teilweise Erwärmung des sich im unteren Abschnitt befindlichen Arbeitsfluides 4 lässt sich bei dieser Anordnung nicht vermeiden. Maßgeblich für die Leistung dieses Kreisprozesses ist der Wärmeübergang vom Warmbereich 8 in das Arbeitsfluid 4.The fourth step becomes the working fluid 4 compressed. The piston 2 moves down to the start position of step one. The main part of the heat of compression takes the heat exchanger 7 on. Partial heating of the working fluid located in the lower section 4 can not be avoided with this arrangement. Decisive for the performance of this cycle is the heat transfer from the hot area 8th into the working fluid 4 ,

Der Wärmeübergang erfolgt in allen vier Arbeitsschritten. Bei der Verwendung von Kohlenstoffdioxid als Arbeitsfluid 4 ist eine Temperatur von 50 °C für den Warmbereich 8 und eine Temperatur von 20 °C für den Kaltbereich 5 ausreichend. Der optimale Druckbereich liegt dann zwischen 60 bar und 100 bar.The heat transfer takes place in all four work steps. When using carbon dioxide as a working fluid 4 is a temperature of 50 ° C for the warm area 8th and a temperature of 20 ° C for the cold area 5 sufficient. The optimum pressure range is then between 60 bar and 100 bar.

An einem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel, nach 6, wird Kohlenstoffdioxid als Arbeitsfluid 64 mittels Kolben 62, 63 vom oberen, warmen Bereich eines Zylinders 61 durch einen Wärmetauscher in den unteren kalten Bereich verschoben und umgekehrt. Die Kolben 62, 63 werden dabei durch Exzenterwellen 68, 69 angetrieben, deren Exzenter ca. 120° zueinander versetzt sind. Zum Erwärmen des oberen Teils des Zylinders 61 wird Warmwasser am Warmwasserzulauf 71 rücklauftemperaturgesteuert eingeleitet, über die Wärmezufuhr 72 um den Zylinder 61 mehrmals herumgeführt und am Warmwasserrücklauf 73 abgeleitet. Analog dazu geschieht die Kühlung des unteren Bereiches des Zylinders 61 mit dem Kaltwasserzulauf 74, der Wärmeableitung 75 und dem Kaltwasserrücklauf 76. Durch die Druckänderung des Arbeitsfluides 64 innerhalb des Zylinders 61 wird durch die Exzenterwellen 68, 69 ein Drehmoment generiert. Das Drehmoment wird über das Getriebe 77 an die Generatorwelle 78 übertragen. Das Funktionsprinzip ist gleich dem mittels 5 dargestellten Kreisprozess. Auf Grund der geringen Umlaufzeiten kann auf die Isolierung der Wärmeableitung 75 verzichtet werden.At an embodiment described below, according to 6 , carbon dioxide is used as the working fluid 64 by means of a piston 62 . 63 from the upper, warm area of a cylinder 61 moved by a heat exchanger in the lower cold area and vice versa. The pistons 62 . 63 are thereby by eccentric waves 68 . 69 driven, whose eccentric are offset approximately 120 ° to each other. For heating the upper part of the cylinder 61 is hot water at the hot water inlet 71 Return temperature controlled initiated, via the heat supply 72 around the cylinder 61 passed around several times and at the warm water return 73 derived. Similarly, the cooling of the lower portion of the cylinder happens 61 with the cold water inlet 74 , the heat dissipation 75 and the cold water return 76 , By the pressure change of the working fluid 64 inside the cylinder 61 is caused by the eccentric waves 68 . 69 generates a torque. The torque is transmitted through the gearbox 77 to the generator shaft 78 transfer. The principle of operation is the same as that 5 illustrated cycle process. Due to the low cycle times may be due to the isolation of heat dissipation 75 be waived.

Durch die Verwendung von mindestens drei Zylindern 61, wie dargestellt, ist die Anlage selbststartend.By using at least three cylinders 61 As shown, the system is self-starting.

Die größte Wärmeänderung des Arbeitsfluides 64 findet innerhalb des Wärmetauschers 67 statt. Der Wärmetauscher 67 kann dazu beispielsweise aus porösem Aluminium gefertigt sein. Bei porösem Aluminium ist ein Verhältnis von äußerem Volumen zu innerer Oberfläche größer als 1:10000 m3/m2 möglich, und es weist einen relativ guten Durchströmbarkeitskoeffizienten auf.The largest heat change of the working fluid 64 takes place inside the heat exchanger 67 instead of. The heat exchanger 67 can be made of porous aluminum, for example. For porous aluminum, a ratio of outer volume to inner surface area greater than 1: 10000 m 3 / m 2 is possible, and it has a relatively good flow-through coefficient.

Im Bereich des Wärmetauschers 67 besitzt das Arbeitsfluid 64 die größte Wärmekapazität. Die bei der Expansion dem Wärmetauscher 67 entzogene Wärme wird teilweise bei der Kompression des Arbeitsfluides 64 wieder an den Wärmetauscher 67 abgegeben.In the area of the heat exchanger 67 owns the working fluid 64 the largest heat capacity. The expansion of the heat exchanger 67 extracted heat is partially due to the compression of the working fluid 64 back to the heat exchanger 67 issued.

Die Anlage arbeitet nach dem Stirlingprinzip. Erfindungsgemäß erfolgt die Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie hauptsächlich innerhalb des Wärmetauschers 67 und die Wärmekapazität des Arbeitsfluides 64 ist in den Bereichen der Wärmezufuhr 72 und Wärmeableitung 75 deutlich reduziert.The system works according to the Stirling principle. According to the invention, the conversion of thermal energy into mechanical energy takes place mainly within the heat exchanger 67 and the heat capacity of the working fluid 64 is in the areas of heat input 72 and heat dissipation 75 significantly reduced.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Zylindercylinder
22
Kolbenpiston
44
Arbeitsfluidworking fluid
55
Kaltbereichcold area
77
Wärmetauscherheat exchangers
88th
Warmbereichwarm area
1010
Isolatorinsulator
1111
Zylindercylinder
1212
Kolbenpiston
1313
Arretierungsbolzenlocking bolt
1414
Arbeitsfluidworking fluid
1515
Kolbenflächepiston area
1616
Druckprint
1717
NiederhaltekraftHold down force
6161
Zylindercylinder
6262
Kolbenpiston
6363
Kolbenpiston
6464
Kohlenstoffdioxid als ArbeitsfluidCarbon dioxide as working fluid
6767
Wärmetauscherheat exchangers
6868
Exzenterwelleneccentric
6969
Exzenterwelleneccentric
7171
WarmwasserzulaufHot water supply
7272
Wärmezufuhrheat
7373
WarmwasserrücklaufHot water return
7474
KaltwasserzulaufCold water supply
7575
Wärmeableitungheat dissipation
7676
KaltwasserrücklaufCold water return
7777
Getriebetransmission
7878
Generatorwelle generator shaft
FF
Kraftforce
PP
Leistungpower
QQ
Wärmewarmth
TT
Temperaturtemperature
UU
innere Energieinternal energy
VV
Volumenvolume
WW
Arbeit job
cc
Wärmekapazitätheat capacity
pp
Druck print
ΔΔ
Differenz difference
abfrom
abgeleitetderived
pp
Druckprint
VV
Volumenvolume
zuto
zugeführtsupplied

Claims (1)

Das Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie mittels Wärmekraftmaschine unter Nutzung geringster Temperaturdifferenzen ist dadurch gekennzeichnet, dass eine gezielte Anpassung der Wärmekapazität (c) des verwendeten Arbeitsfluides durchgeführt wird.The method for converting thermal energy into mechanical energy by means of a heat engine using the lowest temperature differences is characterized in that a targeted adjustment of the heat capacity (c) of the working fluid used is performed.
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