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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieumwandlung von Wärmeenergie in kinetische Energie, mittels der Ausnutzung, der in der Wärmepumpe erzeugten Temperaturextrema durch ein Wärmekraftwerk.
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Die Vorrichtung ist auf zwei thermodynamischen Kreislaufprozessen aufgebaut.
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Die beiden Kreisprozesse sind in der Maschine, zum Zwecke der Wärmeübertragung miteinander durch zwei Wärmetauscher verbunden.
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Die Vorrichtung betrifft eine Energieumwandlungsmaschine zur Energieumwandlung von Wärmeenergie in kinetische Energie, umfassend eine Wärmepumpe, umfassend Wärmetauscher (1), Verdichter (2), Wärmetauscher (3), Expansionsventil (4), Kondensator (5), Fluid sowie bestehend aus einem Wärmekraftwerk, bestehend aus Wärmetauscher (3), Wärmekraftmaschine (6), Kondensator (5), Pumpe (7), Fluid welche dadurch gekennzeichnet sind, dass Wärmeenergie des Fluides des Wärmepumpenkreislaufs im Wärmetauscher (3) im Bereich (3.1) an das Fluid der Wärmekraftmaschine im Bereich (3.2) abgegeben wird, wo dieses Fluid, welches Dampfdruck aufbaut, welcher zum Teil in der Wärmekraftmaschine(6) in kinetische Energie umgewandelt wird, um dann in den Kondensator (5), der durch das nach Durchlauf durch den Wärmetauscher (3) abgekühlte, dann im Entspannungsventil entspannte und abgekühlte Fluid des Wärmepumpenkreislaufs im Bereich (5.1) gekühlten Bereich des Kondensators (5) im Bereich (5) zu gelangen, in dem der Dampf des Fluides des Wärmekraftmaschinenkreislaufs durch Abgabe von Wärmeenergie an das Fluid des Wärmepumpenkreislaufs verflüssigt wird, wonach es mittels der Pumpe (7) in den Wärmetauscher (3) in Bereich (3.2) gepumpt wird während das Fluid des Wärmepumpenkreislaufs in den Wärmetauscher (1) geleitet wird.
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Stand der Technik
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- • Momentan wird eine Wärmekraftmaschine nur durch externe Energieträger, die im Temperaturbereich über der des ebenfalls verfügbaren Kältereservoirs liegen, angetrieben.
- • Wärmepumpen werden zum Heizen oder zum Kühlen verwendet, aber nicht zum Wärmen und Kühlen zugleich.
- • In keiner Maschine werden die Heizleistung und die Kühlleistung von Wärmepumpen zur Energieerzeugung genutzt.
- • Die bisher bekannten thermischen Energieerzeugungsanlagen benötigen eine Energiequelle, deren Temperaturniveau über dem der Umweltwärme liegen und nutzen für ein künstlich erzeugtes Temperaturgefälle Energieträger wie z.B. Kohle, Gas oder Öl.
- • Die in diesem Patent beschriebene Maschine, benötigt ein Wärmereservoir, welches der Umgebungswärme entspricht. Die Maschine benötigt kein Reservoir das über der Umgebungstemperatur liegt.
- • Bisher gibt es keine Schiffe, die mit dem Wärmereservoir des sie umgebenen Wassers angetrieben werden können.
- • Ebenfalls gibt es keine Kühlanlagen, die die Wärmeenergie die sie aus dem Kühlraum entziehen zu nutzbarer Energie umwandeln können, z.B. zu elektrischer Energie.
- • Auch gibt es bisher keine Klimaanlagen, die die Wärmeenergie in andere Energieformen umwandeln können, z.B. in elektrische Energie, sondern sie benötigen elektrische Energie zu ihrem Betrieb und emittieren zusätzlich Wärmeenergie .
- • Bisher gibt es keine LKWs oder Züge, welche die Wärmeenergie aus der sie umgebenden Luft für Antriebszwecke nutzbar machen können.
- • Neben der Funktion der Energieumwandlung, können Effekte wie Kühlung oder die Erzeugung von Kondenswasser ebenfalls genutzt werden.
- • Die aufgezeigten Beispiele können durch die Energieumwandlungsmaschine realisiert werden.
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Aufgabe
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Es existiert in unserer Gesellschaft eine starke Abhängigkeit von fossilen Energieträgern, atomaren Energieträgern, Windenergie, Sonnenenergie und potenzieller Energie, z.B. aus Wasserkraftwerken. Diese Energieträger sind nicht überall auf dieser Erde zu jeder Zeit verfügbar und unterliegen Schwankungen durch die Beschaffungspreise von fossilen und atomaren Energieträgern oder Schwankungen durch Windstärke, Sonneneinstrahlung oder Niederschläge. Die fossilen Energieträger emittieren dabei hohe Mengen an CO2 und schaffen Abhängigkeiten von Lieferketten. Die Erfindung soll eine Energiequelle nutzbar machen die überall auf der Erde zu jeder Zeit verfügbar ist und keine CO2 Emissionen erzeugt. Gemeint ist die thermische Energie die sich in der Umwelt in der Luft, dem Wasser oder dem Erdreich befindet. Diese Umweltwärme ist eine unzureichend genutzte CO2 neutrale erneuerbare Energiequelle, die eine so hohe Gesamtkapazität aufweist, dass auf der Erde auf andere Energiequellen verzichtet werden könnte.
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Es existiert bisher keine Maschine die ohne Nutzung von thermischen Energiepotenzialen die über dem Niveau der Umgebungswärme liegen größere Mengen an nutzbarer kinetischer Energie erzeugen können.
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In vielen Regionen der Erde herrschen hohe Temperaturen, die Klimaanlagen nötig werden lassen. Diese emittieren zusätzlich Wärme die die Situation noch verschärft.
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Ebenfalls fällt in Serverparks und bei Industrieprozessen Wärmeenergie an die abgeführt werden muss. Weder kann diese Wärme effizient genutzt werden noch ist die Kühlung lukrativ.
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Darüber hinaus besteht die Menschheitsaufgabe den Klimawandel zu begrenzen und die Energieversorgungssicherheit der Menschen zu gewährleisten. Die bisherigen erneuerbaren Energiequellen können bisher nur einen geringen Teil dieser Aufgabe übernehmen und sind nicht zuverlässig und günstig genug verfügbar, um alle fossilen Energieträger zu ersetzen. Bisher ist keine CO2 neutrale Energiequelle großflächig verfügbar um dieses Problem zu lösen.
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Lösung
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Diese Erfindung löst das Problem der Verfügbarkeit von nutzbarer kinetischer Energie durch die Umwandlung von thermischer Energie aus der Umwelt in kinetische Energie. Die Wärme aus der Luft, aus dem Erdreich, aus Wasser (z.B. aus Gewässern) kann bisher nur zu Heizzwecken genutzt werden. Da bisher keine kinetische Energie und daraus elektrische Energie in größerem Maße gewonnen werden kann, ist diese enorme Energiequelle bisher nicht nachhaltig nutzbar. Die hier beschriebene Erfindung soll das ändern. Dazu nutzt sie die Eigenschaft von Wärmepumpen thermische Energie mit Gasen an Wärmetauschern aufzunehmen und mittels Verdichtung hohe Temperaturen bei gleichzeitigem Anstieg des Gasdrucks und Verringerung des Volumens zu erreichen. Dabei ist der Aufwand für die Pumpe um ein vielfaches kleiner als die gepumpte Energiemenge. Dieses erhitzte Fluid wird dann dazu genutzt ein zweites Fluid zu verdampfen, so dass der Gasdruck in einer Wärmekraftmaschine zu kinetischer Energie umgewandelt werden kann. Da das Fluid wie bei jedem konventionellen Kraftwerk kondensiert werden muss, wird der ungenutzte Restdampf in den Kondensator geleitet der durch das durch das Expansionsventil entspannte, sehr kalte Fluid aus dem Wärmepumpenkreislauf gekühlt wird. Dort kondensiert das Fluid aus dem Wärmekraftmaschinenkreislauf und wird zurück in den Wärmetauscher (3) zur wiederholten Verdampfung gepumpt. Das Fluid der Wärmepumpe wird dann im Wärmetauscher (1) abermals erwärmt und kann mit der enthaltenen Wärmeenergie aus dem Kondensator und der Umwelt wieder in den Verdichter gezogen werden um ebenfalls wieder in den Wärmetauscher (3) zu gelangen, wo der Wärmeübertrag an das Fluid aus dem Wärmekraftmaschinenkreislauf stattfindet. Dadurch ist eine stete Umwandlung von Wärmeenergie in kinetische Energie realisierbar. Da Wärmepumpen zum kühlen ebenso wie zum heizen eingesetzt werden können, nutzt die Energieumwandlungsmaschine beide Potenziale um Fluide mit Siedepunkten unterhalb 273 Grad Kelvin nutzbar zu machen. Da der Kondensator Temperaturen unterhalb von 250 Grad Kelvin erreichen kann sind Temperaturdifferenzen von 100 Grad Kelvin und mehr möglich. Fluide, wie z.B. Isobutan können dadurch hohen Druck aufbauen, welcher in Kraftwärmemaschinen zur Umwandlung in kinetische Energie genutzt wird bis das Gas mit minimalem Druck und sehr niedriger Temperatur zum Kondensator fließt. Dieser kann bei Nutzung beispielsweise von Ammoniak Temperaturen unter 250 Grad Kelvin erreichen und Gase z. B. Isobutan kondensieren lassen. Dadurch ist das Temperaturgefälle und somit die Druckdifferenz an der Wärmekraftmaschine ausreichend um den überwiegenden Teil der Energie, welche im Wärmetauscher (3) aufgenommen wurde in kinetische Energie umzuwandeln. Kondensationsturbinen als spezielle Art der Wärmekraftmaschinen können zudem durch Nutzung der Verdampfungsenthalpie den Wirkungsgrad weiter erhöhen. Die Abwärme des Verdichters (2) und der Pumpe (7) kann dem Fluid ebenfalls zugefügt werden und zu großen Teilen zurück gewonnen werden.
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Die Energieumwandlungsmaschine wird dadurch in den Bereichen zwischen dem Verdichter und dem Anfang der Wärmekraftmaschine höhere Temperaturen als die Umgebung aufweisen und am hinterem Ende des Wärmetauschers (3) sowie dem Kondensator (5) dem hinteren Ende der Wärmekraftmaschine (6) und dem Wärmetauscher (1) niedrigere Temperaturen als die Umgebungstemperatur aufweisen. Die höchste Temperatur wird dabei hinter dem Verdichter bzw. im Dampfbereich des Wärmetauschers (3) erreicht und die niedrigste hinter dem Entspannungsventil (4), bzw. im Kondensator (5). Durch das Erreichen einer hohen Temperaturdifferenz die oberhalb und unterhalb der Umgebungswärme liegt und deren Nutzung zur Energieerzeugung in einer Wärmekraftmaschine ermöglicht die Energieumwandlungsmaschine eine Energiequelle zu nutzen die überall auf der Erde verfügbar ist und unvergleichlich viel energetisches Potenzial enthält. Da Wärmekraftmaschinen ebenso wie Wärmepumpen ein sehr weites Leistungsspektrum aufweisen, ist die Energieumwandlungsmaschine voraussichtlich vielseitig einsetzbar und im Leistungsspektrum hochgradig skalierbar. Der Einsatz in stationären Kraftwerken ist ebenso denkbar wie der Einsatz in Schiffen, Zügen, Lkws oder gar PKWs. In vielen Regionen kann die durch die Kühlleistung gewonnene Energie z.B. zur Stromversorgung oder Wasserentsalzung und somit zur Wasserversorgung dienen. Städte wie Riad oder Karatschi können dadurch lebenswerter und energieautarker werden.
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Merkmale des Hauptanspruchs und technische Beschreibung
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Kreisprozess: Wärmepumpe
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- • Die Wärmepumpe funktioniert in einem thermischen Kreisprozess.
- • Hierbei handelt es sich um eine Wärmepumpe, bestehend aus einem Umwelt-Wärmetauscher (1), welcher, platziert in Außenluft, Grundwasser, Meereswasser, Flusswasser, Untergrund, Innenräumen, Gasen oder Abwärme Wärme aufnimmt und auf ein Fluid überträgt.
- • Dieses Fluid wird in einem Verdichter (2) so komprimiert, dass das Volumen des Fluides verringert und die Temperatur des Fluides erhöht wird.
- • Das erhitzte Fluid wird in einen weiteren Wärmetauscher (3) geleitet.
- • In diesem Wärmetauscher (3) wird die Temperatur des Fluides reduziert und zu Teilen auf das Fluid aus dem Wärmekraftmaschinenkreislauf (2) abgegeben.
- • Das abgekühlte Fluid aus dem Wärmepumpenkreislauf (1) wird aus dem Wärmetauscher (3) in ein Entspannungsventil (4) geleitet und dekomprimiert.
- • Das Fluid wird dadurch stark abgekühlt und in den Kondensator (5), davon in den Teilbereich (5), weitergeleitet.
- • Dort nimmt das Fluid die Kondensationswärme aus dem Wärmekraftmaschinenkreislauf (2) auf.
- • Das erwärmte Fluid wird dann wieder in den Wärmetauscher (1) eingespeist
- • Dort beginnt der Kreisprozess wieder mit der Aufnahm von Wärmeenergie
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Kreisprozess: Wärmekraftwerk
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- • Das Fluid des Wärmekraftmaschinenkreislauf (2) wird in Wärmetauscher (3) in einem separaten Raum (3.1) verdampft.
- • Anschließend wird dieser unter Druck stehende Dampf in eine Wärmekraftmaschine (6) geleitet, wo die thermische Energie zu Teilen in kinetische Energie umgewandelt wird.
- • Die im Fluid verbliebene Energie wird in den Kondensator (5) geleitet und im Teilbereich (5) kondensiert.
- • Das flüssige Fluid wird mit der Pumpe (7) in den Wärmetauscher (3) in den Teilbereich (3.2) geleitet.
- Hier startet der Wärmekraftmaschinenkreislauf 2 wieder mit der Aufnahme der thermischen Energie des Fluids des Wärmepumpenkreislaufs.
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Die Wärmepumpe (1) transportiert ein Vielfaches der für den Verdichter (2) aufgewendeten Energie.
Bei einer üblichen Erdwärme-Wärmepumpen- Heizanlage liegt das Verhältnis der im Verdichter aufgewendeten Energie zur aus dem Erdreich gewonnenen Energie bei 1:4.
Die Abwärme des Verdichters wird in den Energiekreislauf mit eingeführt, so dass das Verhältnis der aufgewendeten Energie zur verfügbaren Heizwärme 1:5 beträgt.
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Diese Energie kann in dem Wärmetauscher (3) abgeführt werden und in einer durchschnittlichen Kraftwärmemaschine (6), z.B. einer Turbine oder Kolbendampfmaschine, durchschnittlich zu 80 % (der verfügbaren Exergie) in kinetische Energie umgewandelt werden. Die Exergie errechnet sich aus der Differenz der Enthalpie des Fluides am Eingang der Wärmekraftmaschine (6) und der Enthalpie des Fluides im Kondensator.
Damit liegt die erzeugte kinetische Energie über der Summe der aufgewendeten Energie für den Verdichter (2) und der Pumpe (7).
Die Summe der gesamten bewegten Energie aus Umweltenergie, aufgewendeter Energie für den Verdichter (2), der aufgewendeten Energie für die Pumpe (7) liegt über der erzeugten kinetischen Energie.
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Das Fluid, das aus der Wärmekraftmaschine (6) kommt hat eine niedrige Enthalpie. Das Fluid geht in den Kondensator (5), verliert seine gasförmige Konsistenz und wird kondensiert. Dabei wird die Kondensationswärme an den Kondensator (5) abgegeben. Da der Kondensator-Teilbereich (5) mit dem Fluid aus dem Wärmepumpenkreislauf (1) in seinem kältesten Zustand gespeist wird, kann die benötigte Wärmekapazität aufgenommen werden.
Der Prozess ähnelt dem Vorgang in einem Kühlhaus, bei dem Temperaturen im Minusgradbereich herrschen und sehr viel Wärme abgeführt wird.
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Ausführungsbeispiel
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Die 1 zeigt eine Energieumwandlungsmaschine die eine Wärmepumpe und eine Wärmekraftmaschine umfasst welche miteinander zur Ausnutzung des erzeugbaren Temperaturgefälles in dem Wärmetauscher (3) mit der höchsten Temperatur des Fluides der Wärmepumpe und dem Kondensator (5) mit der niedrigsten Temperatur des Fluides der Wärmepumpe zum jeweiligen Energieübertrag verknüpft sind. Dabei überträgt sich im Wärmetauscher (3) die Wärmeenergie aus dem verdichteten Fluid der Wärmepumpe auf das flüssige Fluid des Wärmekraftanlagenkreislaufs. Im Kondensator (5) gibt dann das nach dem Durchlauf der Wärmekraftmaschine (6) entspannte Gas des Wärmekraftanlagenkreislaufs die restliche Kondensationswärme an das durch das Expansionsventil (4) entspannte und sehr kalte Fluid des Wärmepumpenkreislaufs ab. Die Wärmepumpe umfasst einen Wärmetauscher (1) der über ein Fluid leitendes Rohr mit einem Verdichter (2) verbunden ist der über ein weiteres Rohr für das Fluid zu dem Wärmetauscher (3) führt. Dieser Wärmetauscher (3) ist so konzipiert, dass in ihm ein möglichst großer Wärmeübertrag der Wärmeenergie des Fluides der Wärmepumpe auf das Fluid der Wärmekraftmaschine ermöglicht wird. Dadurch wird das Fluid des Wärmepumpenkreislaufs stark abgekühlt und verlässt so über ein Rohr den Wärmetauscher (3) um zum Expansionsventil (4) zu gelangen. Dort wird das Fluid entspannt und erreicht Tiefsttemperaturen die z.B. in Kühlhäusern erreicht werden. Das Fluid gelangt abermals durch ein Rohr in den Kondensator (5) und dient dazu, die Kondensationswärme des Wärmekraftmaschinenkreislaufs aufzunehmen. Danach gelangt das Fluid wieder in den Wärmetauscher (1) um durch Aufnahme von Umweltwärme wieder auf die Ausgangstemperatur zu gelangen.
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Die Wärmekraftmaschine umfasst den Wärmetauscher (3) in dem das Fluid der Wärmekraftmaschine durch Aufnahme der Wärmeenergie des Fluides des Wärmepumpenkreislaufs verdampft und Gasdruck aufbaut. Dieser Gasdruck wird durch eine Wärmekraftmaschine (6) zur Umwandlung in kinetische Energie genutzt, die abgeführt wird. Das Fluid verlässt mit erheblich weniger Temperatur und Druck die Wärmekraftmaschine (6) um über ein Rohr zum Kondensator (5) zu gelangen wo es durch Abgabe der restlichen Kondensationsenthalpie kondensiert. Ein Rohr führt das flüssige Fluid zu einer Pumpe (7) die das Fluid mittels eines weiteren Rohres
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Bezugszeichenliste
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- ▷
- Wärmepumpenkreislauf (WP-KR)
- ►
- Wärmekraftmaschinenkreislauf (WKM-KR)
- 1
- 1. Wärmetauscher (WT1)
- 2
- 2. Wärmetauscher (WT2)
- 2.1
- Raum des WT2 als Teil des WP-KR (als Kondensator)
- 2.2
- Raum des WT2 als Teil des WKM-KR(als Verdampfer)
- 3
- 3. Wärmetauscher (WT3)
- 3.1
- Raum des WT3 als Teil des WP-KR (als Verdampfer)
- 3.2
- Raum des WT3 als Teil des WKM-KR(als Kondensator)
- 4
- Wärmekraftmaschine (z.B. Turbine oder Kolbenhubmaschine)
- 5
- Verdichter
- 6
- Dekompressionsventil
- 7
- Pumpe
