DE10236749A1

DE10236749A1 - Thermodynamically closed-circuit energy conversion process involves temperature of working gas being controlled by mechanical counterpressure acting on this gas

Info

Publication number: DE10236749A1
Application number: DE2002136749
Authority: DE
Inventors: Arnold Berdel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-08-10
Filing date: 2002-08-10
Publication date: 2004-02-19
Also published as: EP1527257A1; AU2003260255A1; WO2004020793A1

Abstract

The energy conversion process is based on the Carnot Process. Heat it applied to a working gas to produce work. The temperature of the working gas is controlled by a mechanical counterpressure acting on the working gas. The counterpressure is proportional to the pressure of the working gas and acts in the opposite direction.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Energieumwandlung nach einem geschlossenen thermodynamischen Kreisprozess, insbesondere nach dem Carnot-Prozess, unter der Nutzung eines Arbeitsgases, dem zur Verrichtung von Arbeit Wärme zugeführt wird und eine Vorrichtung dazu.The invention relates to a Process for energy conversion according to a closed thermodynamic Cyclic process, especially after the Carnot process, under use a working gas to which heat is added to perform work and a device for this.

Der Carnotsche Kreisprozess besitzt einen relativ hohen thermischen Wirkungsgrad, der nur von der oberen und der unteren Grenztemperatur abhängig ist. Die technische Realisierung diese Kreisprozesses ist jedoch schwierig, da eine isotherme Zustandsänderung praktisch nicht durchführbar und eine adiabate Kompression wegen der auftretenden Drücke nur innerhalb kleiner Temperaturbereiche möglich ist.The Carnot cycle has a relatively high thermal efficiency that only from the top and the lower limit temperature is dependent. The technical realization however, this cycle is difficult because of an isothermal state change practically not feasible and an adiabatic compression only because of the pressures that occur is possible within small temperature ranges.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit denen eine optimierte Prozessführung gewährleistet ist.It is an object of the invention To provide a method and a device of the type mentioned in the introduction, with which an optimized process control is guaranteed.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 3 gelöst.According to the invention, the object is achieved by Features of the claims 1 and 3 solved.

Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung dar.The subclaims represent advantageous refinements of the invention.

Mit der erfindungsgemäßen Art der Temperatursteuerung bei dem Kreisprozess wird eine effiziente Prozessführung erzielt, die eine relativ hohe Energieausbeute unter einem hohen Wirkungsgrad zur Folge hat. Diese Prozessführung resultiert aus Überlegungen bezüglich der Geltung des dritten Newtonschen Axioms in der Thermodynamik.With the type according to the invention temperature control in the cycle becomes efficient Litigation achieved a relatively high energy yield under a high Efficiency. This litigation results from considerations in terms of the validity of Newton's third axiom in thermodynamics.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand mehrerer Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention is described below with reference to several embodiments with reference to the related Drawings closer explained. Show it:

1 bis 6 Darstellungen eines Kreisprozesses nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und 1 to 6 Representations of a cycle according to the inventive method and

7 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des Prozesses. 7 is a schematic representation of an inventive device for performing the process.

1 zeigt einen Carnot-Prozess, der bei Punkt 1 startet. In diesem idealisierten Prozessablauf wird eine zugeführte Wärmemenge Q₁ teilweise in technische Arbeit W überführt, wobei ein Arbeitsgas von Punkt 1 nach Punkt 2 isotherm expandiert. Mit steigender Temperatur T₁ vergrößert sich die Fläche und damit auch der Wärmeumsatz unterhalb der T₁-Isotherme. Für eine technische Anwendung muss ein Vorgang beliebig oft wiederholt werden. Ein einmaliger Vorgang liefert nur begrenzte Arbeit. Der Startpunkt 1 ist daher periodisch anzusteuern. Carnot wählt ein möglichst niedrige Temperatur T₂ in der Nähe der Umgebungstemperatur. Das Arbeitsgas wird isotherm von Punkt 3 nach Punkt 4 verdichtet. Die ausgetriebene Wärmemenge Q₂ entspricht der aufgewandten Arbeit am Gas. Von Punkt 4 nach Punkt 1 erfolgt eine adiabate Kompression des Arbeitsgases, wobei dessen Temperatur von T₂ auf T₁ steigt. 1 shows a Carnot process that starts at point 1. In this idealized process flow, a supplied amount of heat Q _{1 is} partially converted into technical work W, with a working gas expanding from point 1 to point 2 isothermally. With increasing temperature T ₁ , the area and thus also the heat conversion below the T ₁ isotherm increases. For a technical application, a process must be repeated as often as required. A one-time operation provides only limited work. Starting point 1 should therefore be controlled periodically. Carnot chooses the lowest possible temperature T ₂ in the vicinity of the ambient temperature. The working gas is compressed isothermally from point 3 to point 4. The amount of heat expelled Q ₂ corresponds to the work done on the gas. From point 4 to point 1 there is an adiabatic compression of the working gas, its temperature rising from T ₂ to T ₁ .

Zur Veranschaulichung der Kompression und der Expansion des Arbeitsgases ist unterhalb des Kreisprozesses ein Druckzylinder 10 mit einem Kolben dargestellt. Auf dem Weg von Punkt 3 nach Punkt 4 wird dem Arbeitsgas Wärme ausgetrieben. Die innere Energie des Arbeitsgases ist bei Punkt 1 kleiner als bei Punkt 3. Ohne Wärmezufuhr kann der gedachte, reibungsfrei gelagerte Kolben im Druckzylinder 10 den Anfangspunkt 3 der Kompression nicht erreichen. Den möglichen Rückweg, den der Kolben aufgrund der inneren Energie des Arbeitsgases zurücklegen wird, ist durch die gestrichelte Linie dargestellt. Bei der Temperatur T₁ beginnt die isentrope Expansion in Richtung Punkt 4. Anders als bei der Verdichtung ändert der Kolben des Druckzylinders 10 bei Punkt 4 nicht die Ablaufrichtung sondern leistet isentrope Arbeit bis Punkt 5. Die geleistete Arbeit entspricht der Fläche unter der Isentropen 1-4-5. Bei Punkt 5 tritt eine Richtungsänderung ein. Am Kolben greift von der einen Seite die Druckkraft des Arbeitsgases und von der anderen Seite der Luftdruck p_Ld der Umgebung an. Beide Drücke bzw. die entsprechenden Kräfte sind in Betrag und Richtung gleich groß aber entgegengesetzt gerichtet. Die Arbeitsgastemperatur T₃ bei Punkt 5 ist kleiner als die Arbeitsgastemperatur T₂ und hat das Minimum erreicht.To illustrate the compression and expansion of the working gas, there is a pressure cylinder below the cycle 10 represented with a piston. On the way from point 3 to point 4, heat is expelled from the working gas. The internal energy of the working gas is smaller at point 1 than at point 3. The imaginary, friction-free piston can be placed in the pressure cylinder without the addition of heat 10 do not reach the starting point 3 of the compression. The possible return path that the piston will cover due to the internal energy of the working gas is shown by the dashed line. The isentropic expansion in the direction of point 4 begins at the temperature T _{1. In} contrast to the compression, the piston of the pressure cylinder changes 10 at point 4 not the direction of the process but does isentropic work up to point 5. The work done corresponds to the area under the isentropic 1-4-5. At point 5 there is a change of direction. The pressure force of the working gas acts on the piston from one side and the air pressure p _{Ld of} the environment from the other side. Both pressures and the corresponding forces are of the same magnitude and direction but directed in opposite directions. The working gas temperature T ₃ at point 5 is lower than the working gas temperature T ₂ and has reached the minimum.

Unter der Annahme, dass die Wände des Druckzylinders 10 wärmedurchlässig sind, nutzt das Arbeitsgas die Temperaturdiffe renz zur Umgebung und nimmt Wärme auf. Die Temperatur des Arbeitsgases steigt und sein Volumen vergrößert sich unter der Wirkung des Kolbens isobar. Hierbei wird der Kolben nach rechts in Richtung Punkt 3 verschoben. Der Vorgang endet, wenn die Temperatur des Arbeitsgases die Umgebungstemperatur T₂ erreicht hat. Der linksläufige Kreisprozess endet bei Punkt 3. Die vom Arbeitsgas verrichtet Expansionsarbeit ist geringer als die aufgewandete Verdichtungsarbeit.Assuming that the walls of the impression cylinder 10 are permeable to heat, the working gas uses the temperature difference to the environment and absorbs heat. The temperature of the working gas rises and its volume increases under the action of the piston isobarically. The piston is moved to the right in the direction of point 3. The process ends when the temperature of the working gas has reached the ambient temperature T ₂ . The left-handed cycle ends at point 3. The expansion work done by the working gas is less than the compression work done.

Zur technischen Nutzung der Umgebungswärme ist der Prozessablauf zur reproduktiven Arbeitsausbeute zwischen den Punkten 5 und 3 bedeutungsvoll. Bei der Kolbenstellung in Punkt 5 beträgt die Arbeitsgastemperatur T3 und bei der Kolbenstellung in Punkt 3 T₂. Das Arbeitsgas expandiert von T3 nach T₂, wobei T3 < T₂ ist.The process flow for reproductive work efficiency between points 5 and 3 is significant for the technical use of ambient heat. The working gas temperature is T3 for the piston position in point 5 and T ₂ for the piston position in point 3. The working gas expands from T3 to T ₂ , where T3 <T ₂ .

Im Abschnitt 5-3 nimmt das Arbeitsgas die Wärmemenge Q_zu auf. Wärme wird bei dieser isobaren Prozessführung nicht abgeführt. Mithin ist anzunehmen, dass die zugeführte Wärmemenge Q_zu vollständig in mechanische Arbeit überführt wird (W = Q_zu = ΔV×p). Die mechanische Arbeit wird an die Umgebung geleistet und ist energetisch nicht zu. verwerten. Dennoch finden sich hier die entscheidenden Ansatzpunkte zur Nutzung der Umgebungswärme.In Section 5-3, the working gas absorbs the heat quantity Q _at. Heat is not dissipated with this isobaric process control. It can therefore be assumed that the amount of heat supplied Q is _too completely converted into mechanical work (W = Q _zu = ΔV × p). The mechanical work is done on the environment and is not energetically too. recycle. Nevertheless, the crucial starting points for the use of ambient heat can be found here.

Der in 2 dargestellte Kolben des Druckzylinders 10 bewegt sich während der isobaren Zustandsänderung von Punkt 5 nach Punkt 3. Das Volumen wächst bei konstantem Druck p um den Betrag ΔV und leistet Arbeit (W = p×ΔV). Der auf den Kolben wirkende Druck errechnet sich aus p = F/A, wobei A die Fläche des Kolbens beschreibt. Die Volumenänderung ist defi niert durch ΔV = A×s, wobei A die Fläche des Kolbens und s den zurückgelegten Weg des Kolbens aufgrund der zugeführten Wärmemenge Q_zu beschreibt.The in 2 shown piston of the pressure cylinder 10 moves from point 5 to point during the isobaric state change 3 , The volume increases at constant pressure p by the amount ΔV and does work (W = p × ΔV). The one on the piston effective pressure is calculated from p = F / A, where A describes the area of the piston. The volume change is defi ned by .DELTA.V = A × s, where A s _to describe the surface of the piston and the path covered by the piston due to the amount of heat supplied Q.

Der direkte Zusammenhang zwischen der Wärmemenge Q_zu und der verrichteten isobaren Arbeit (W_th) des Arbeitsgases wird wie folgt beschrieben: Wth = Wmech = Qzu = F×s The direct relationship between the amount of heat Q _zu and the isobaric work (W _th ) of the working gas is described as follows: W th = W mech = Q to = F × s

Der Kolben leistet mechanische Arbeit an der Umgebung. Diese Arbeit ist technisch nicht verwertbar. Dennoch finden sich hier weitere Ansatzpunkte, die zeigen, wie ein thermischer Prozess zu steuern ist, um die Umgebungswärme zu nutzen bzw. Wärmeenergie generell effizienter einzusetzen.The piston does mechanical work in the area. This work cannot be used technically. Yet there are further starting points here that show how a thermal Process control is to use the ambient heat or thermal energy generally more efficient to use.

Übt ein Körper auf einen anderen eine Kraft aus, so erfährt er von diesem eine entgegengerichtete gleiche Kraft. Kräfte treten immer paarweise und entgegengerichtet auf (F' = –F). Dieses Reaktions- oder Wechselwirkungsprinzip ist von grundsätzlicher Natur. Liegen die Angriffspunkte von F und –F' in zwei verschiedenen Körpern entspricht dieser Zustand dem Newtonschen Reaktions- oder Wechselwirkungsprinzip.Practices a body exerts a force on another, he experiences an opposite one from this same force. personnel always occur in pairs and in opposite directions (F '= –F). This The principle of reaction or interaction is of a fundamental nature. If the points of attack of F and –F 'correspond to two different bodies this state follows Newton's principle of reaction or interaction.

Wenn zwei Kräfte an einem Körper (Kolben) angreifen (dem Betrag nach gleich oder ungleich, entgegengerichtet), so handelt es sich nicht um Kraft und Reaktionskraft im Sinne des dritten Newtonschen Axioms. Im Falle des gleichen Betrages werden diese als Kompensationskräfte bezeichnet. Das grundlegende Newtonsche Gesetz muss sich gleichfalls in der Thermodynamik nachweisen lassen.When two forces act on one body (piston) (equal or unequal in amount, opposite), so acts it is not force and reaction force in the sense of Newton's third Axiom. In the case of the same amount, these are referred to as compensation forces. Newton 's fundamental law must also be in the Have thermodynamics proven.

In 2 zeigt die isobare Zustandsänderung zwischen den Punkten 5 und 3, dass das Newtonsche Axiom gültig ist. Nach der Gleichung W_th = W_mech = F×s wirkt eine Kraft F über den Weg s.In 2 shows the isobaric state change between points 5 and 3 that Newton's axiom is valid. According to the equation W _th = W _mech = F × s, a force F acts over the path s.

Greift eine thermische Kraft F_th (Gasdruck) am Kolben an, dann muss dieser Kraft eine mechanische Kraft F_mech entgegenwirken.If a thermal force F _th (gas pressure) acts on the piston, this force must be counteracted by a mechanical force F _mech .

Nach den Annahmen zu 2 greift beim Punkt 5 bzw. bei der Kolbenstellung 5 der atmosphärische Luftdruck am Kolben als gleichgroße, entgegengesetzt gerichtete Kraft an. Die Prozessablaufrichtung ändert sich. Entlang der Isentrope 1-4-5 leistet der Kolben mechanische Arbeit aufgrund der inneren Energie des Arbeitsgases. Die Arbeitsgastemperatur fällt von T₁ auf T₃. Ab Punkt 5 bzw. der Kolbenstellung 5 nimmt das Arbeitsgas Umgebungswärme auf und leistet mechanische Arbeit aufgrund der zugeführten Wärmemenge. Die Arbeitsgastemperatur steigt und das Gasvolumen vergrößert sich. Der Kolben bewegt infolge des infinitesimal höheren Gasarbeitsdruckes sich in Richtung Punkt 3 und leistet mechanische Arbeit. Am Punkt 3 bzw. in der Kolbenstellung 3 erreicht das Arbeitsgas die Temperatur T₂. Eine weitere Wärmeaufnahme ist nicht mehr möglich. Die reproduktive Energieerzeugung auf Kosten der Umgebungswärme endet.According to the assumptions too 2 engages at point 5 or at the piston position 5 the atmospheric air pressure on the piston as an equally large, oppositely directed force. The process flow direction changes. Along the isentrope 1-4-5, the piston does mechanical work due to the internal energy of the working gas. The working gas temperature drops from T ₁ to T ₃ . From point 5 or the piston position 5 the working gas absorbs ambient heat and performs mechanical work due to the amount of heat supplied. The working gas temperature rises and the gas volume increases. The piston moves towards the point due to the infinitesimally higher gas working pressure 3 and does mechanical work. At point 3 or in the piston position 3, the working gas reaches the temperature T ₂ . Further heat absorption is no longer possible. Reproductive energy generation ends at the expense of ambient heat.

Nach Carnot nimmt ein Arbeitsgas entlang der Isothermen T₁ aus einem Wärmebehälter, dessen Temperatur sich während des Vorganges nicht ändert, Wärme auf und leistet die entsprechende Menge mechanischer Arbeit. Die erzeugte Arbeit entspricht gemäß 2 und 3 der Fläche unter der Isothermen T₁ und wird von den Kurvenpunkten 1-2-b-a-1 begrenzt.According to Carnot, a working gas takes up heat along the isotherms T ₁ from a heat container, the temperature of which does not change during the process, and does the corresponding amount of mechanical work. The work generated corresponds to 2 and 3 the area under the isotherms T ₁ and is limited by curve points 1-2-ba-1.

Bei der kräftetheoretischen Betrachtung taucht hier ein enormes Problem auf. Das Arbeitsgas expandiert – sich selbst überlassen – isentrop von Punkt 1 in Richtung Punkt 5. Die Reaktionskraft wird durch Gasmoleküle erzeugt. Die regellose Bewegung der Gasmoleküle ändert sich im Mittel in eine zielgerichtete Bewegung. Für diese Richtungsänderung muss die Massenträgheit der Gasmoleküle überwunden werden.When considering the theory of strength, it appears an enormous problem here. The working gas expands - left to itself - isentropic from point 1 towards point 5. The reaction force is generated by gas molecules. The random movement of the gas molecules changes on average to a targeted one Move. For this change of direction must be inertia of the gas molecules overcome become.

Gemäß 3 greift beim Punkt x am Kolben eine äußere Kraft F_{mech x} an, die z.B. durch eine hydrostatische Wassersäule, deren Höhe sich während des Vorganges nicht verändert, erzeugt werden kann.According to 3 attacks an external force F _{mech x} at point x on the piston, which can be generated, for example, by a hydrostatic water column, the height of which does not change during the process.

Auf den Kolben wirkt beim Punkt x gleichzeitig die innere Arbeitsgaskraft F_{th x}, die sich aus dem Arbeitsgasdruck bei x multipliziert mit der Kolbenfläche A berechnet. Die Arbeitstemperatur beträgt T_x < T₁. Die innere, am Kolben angreifende Kraft F_{th x} bildet ein Kräftegleichgewicht mit der von außen angreifenden Kraft F_{mech x}. Die isentrope Expansion des Arbeitsgases bricht ab. Die isentrop erzeugte mechanische Arbeit entspricht der Fläche 1-x-f-a-1. Die thermische Energieerzeugung ist noch nicht beendet.At point x, the piston also has the internal working gas force F _{th x} , which is calculated from the working gas pressure at x multiplied by the piston area A. The working temperature is T _x <T ₁ . The internal force F _{th x} acting on the piston forms an equilibrium of forces with the external force F _{mech x} . The isentropic expansion of the working gas stops. The isentropic mechanical work corresponds to the area 1-xfa-1. Thermal energy generation has not yet ended.

Obwohl im Punkt x ein momentanes Kräftegleichgewicht vorliegt, befindet sich das System in einem thermischen Ungleichgewichtszustand. Nach Carnot sollte der Prozess bei einer Arbeitsgastemperatur T₁ ablaufen. Diese Arbeitsgastemperatur kann nicht angenommen werden. Stattdessen ist eine Arbeitsgastemperatur T_x (T_x < T1) als Temperatur im Druckzylinder anzusetzen. Über die wärmedurchlässigen Wände des Druck zylinders wird dem Arbeitsgas Wärme zugeführt und die Arbeitsgastemperatur steigt.Although there is a momentary equilibrium of forces at point x, the system is in a thermal imbalance state. According to Carnot, the process should run at a working gas temperature T ₁ . This working gas temperature cannot be assumed. Instead, a working gas temperature T _x (T _x <T1) is to be used as the temperature in the pressure cylinder. Heat is supplied to the working gas via the heat-permeable walls of the pressure cylinder and the working gas temperature rises.

Die Wärmezufuhr an das Arbeitsgas erzeugt eine Zustandsänderung, die isobar erfolgt. Der Kolben bewegt sich dann nach rechts, wenn die Bedingung Kraft F_th > F_mech erfüllt ist . Dabei wird sich die thermische Aktionskraft F_th im Betrag nur infinitesimal von der angreifenden Reaktionskraft F_mech unterscheiden. Der Kolben strebt den Kräfte-Gleichgewichtszustand an und legt den Weg Δs zurück. Hierbei wird die zugeführte Wärmemenge in mechanische Arbeit umgewandelt. In 3 entspricht diese Umwandlungsrate der Fläche unter der Isobaren x-y.The heat supply to the working gas creates a change in state, which is isobaric. The piston then moves to the right when the condition force F _th > F _{mech is} fulfilled. The thermal action force F _{th will} only differ infinitesimally from the attacking reaction force F _mech . The piston strives for the equilibrium of forces and covers the distance Δs. The amount of heat supplied is converted into mechanical work. In 3 this conversion rate corresponds to the area under the isobar xy.

Anhand von 3 lässt sich noch eine weitere Aussage ableiten. Zu Beginn der isobaren Zustandsänderung beim Punkt x ist das wirksame Temperaturgefälle ΔT₁ > ΔT₂. Damit lassen sich direkte Aussagen zur die Leistungsfähigkeit des Prozesses treffen. Der Wärmedurchgang und damit die übertragbare Wärmemenge Q_zu, durch eine wärmedurchlässige Wand ist von folgenden Faktoren abhängig: Q = Qzu = k A t ΔT = Wmech mit:
Q die durch die ebene Wand übertragene Wärmemenge
k Wärmedurchgangskoeffizient
A Durchgangsfläche
t Zeit oder Dauer des Wärmedurchganges
ΔT Temperaturdifferenz vor und hinter der Wand.Based on 3 Another statement can be derived. At the beginning of the isobaric change of state at point x, the effective temperature gradient is ΔT ₁ > ΔT ₂ . This allows direct Make statements about the performance of the process. The heat transfer and thus the transmittable quantity of heat Q _to, by a heat-pervious wall is of the following factors: Q = Q to = k A t ΔT = W mech With:
Q is the amount of heat transferred through the flat wall
k heat transfer coefficient
A passage area
t time or duration of heat transfer
ΔT temperature difference in front of and behind the wall.

3 zeigt, dass die Temperaturdifferenz ΔT zwischen der T₁-Isothermen und der Arbeitsgastemperatur variabel ist. Vom Maximum beim Prozesspunkt x verringert sich die Temperaturdifferenz ΔT stetig bis hin zum Endpunkt y auf null. Der thermische Ungleichgewichtszustand, die Vorraussetzung für den Wärmefluss, besteht nicht mehr. Das System hat den Gleichgewichtszustand erreicht. Wärme kann nicht mehr in mechanische Arbeit umgewandelt werden. 3 shows that the temperature difference ΔT between the T ₁ isotherms and the working gas temperature is variable. From the maximum at process point x, the temperature difference ΔT decreases continuously to zero up to the end point y. The thermal imbalance state, the prerequisite for the heat flow, no longer exists. The system has reached equilibrium. Heat can no longer be converted into mechanical work.

Wie oben stehende Gleichung zeigt, endet die theoretische Umwandlungsmöglichkeit von Wärme in mechanische Arbeit vorerst bei Punkt y. Technische Probleme treten bereits zu einem früheren Zeitpunkt auf, wenn die Leistungsfähigkeit des Prozesses beurteilt wird. Unter Leistung versteht man das Verhältnis der verrichteten Arbeit zur benötigten Zeit. P = W/t = Qzu/t As the equation above shows, the theoretical possibility of converting heat into mechanical work ends at point y. Technical problems arise at an earlier point in time when the performance of the process is assessed. Performance is the ratio of the work performed to the time required. P = W / t = Q to / t

Somit verringert sich die thermische Umwandlungsgeschwindigkeit von Wärme in mechanische Arbeit, wenn ΔT sehr klein wird. Zwar ist der Prozess noch immer energetisch fruchtbar, jedoch wird die Zeit t, in der eine Wärmemenge Q_zu umgesetzt wird, sehr groß. Ein großer Betrag im Nenner bedeutet, dass die Wärmemenge Q_zu nur sehr leistungsschwach umsetzt und letztlich technisch unbrauchbar wird.Thus, the thermal conversion rate from heat to mechanical work decreases when ΔT becomes very small. Although the process is still energetically fruitful, the time t in which a quantity of heat Q _is converted becomes very long. A large amount in the denominator means that the amount of heat Q is converted _to very poor performance and ultimately becomes technically unusable.

Die Thermodynamik trägt diesem Umstand im Ansatz Rechnung. Nach thermodynamischer Auffassung wird einem Prozess die Wärmemenge Q_zu als thermische Energie zugeführt. Diese thermische Energie (Q_zu) kann nach der Annahme entsprechend dem dritten Newtonschen Axiom nicht vollständig in Arbeit überführt werden. Den Fehlbetrag, der sich aus dem Energieerhaltungssatz einstellt, bezeichnet die Thermodynamik als Entropiemenge.Thermodynamics takes this fact into account. After thermodynamic considers a process is supplied to the quantity of heat Q _to as thermal energy. This thermal energy (Q _zu ) cannot be completely transferred into work after the assumption according to Newton's third axiom. Thermodynamics describes the deficit that arises from the energy conservation law as the entropy quantity.

Wie sich nachfolgend zeigen lässt, stellt die Wärmemenge Q_zu eher eine Art thermische Feldeigenschaft dar, in der der Wärmeumwandlungsprozess abläuft. Eine solche Annahme ist durchaus sinnvoll. Die Wärmemenge Q_zu lässt sich aus kräftetheoretischen Annahmen heraus nicht vollständig in Arbeit überführen. Soweit jedoch eine Umwandlung kräftetheoretisch möglich ist, gilt der Energieerhaltungssatz ausnahmslos.As can be shown below, the amount of heat Q _is more of a type of thermal field property in which the heat conversion process takes place. Such an assumption makes perfect sense. The amount of heat Q _zu cannot be completely transferred into work based on force theoretical assumptions. However, as far as conversion is theoretically possible, the energy conservation rate applies without exception.

Der Umwandlungsprozess von Wärme in mechanische Arbeit ist zweifelsfrei nicht ausschließlich von einem thermischen Wirkungsgrad abhängig. Wärme wird dann in mechanische Arbeit umgewandelt, solange sich das Kräftepaar F_th = –F_mech im Ungleichgewichtszustand befindet. Das Kräftepaar strebt den Gleichgewichtszustand an und erzeugt entweder mechanische Arbeit oder am System wird Arbeit geleistet.The process of converting heat into mechanical work is clearly not solely dependent on thermal efficiency. Heat is then converted into mechanical work as long as the pair of forces F _th = –F _{mech is} in the unbalanced state. The pair of forces strive for equilibrium and either produce mechanical work or work is done on the system.

4 zeigt die isobare Zustandsänderung eines Gases zwischen den T₁- und T₂-Isothermen. Innerhalb des Druckzylinders 10 bewegt sich ein gedachter reibungsfrei gelagerter, massenloser Kolben auf der Wegstrecke s. Der Kolben im Druckzylinder 10 steht bei Stellung X. Der Druckzylinder 10 befindet sich in einem Wärmebad mit der Temperatur T₁. Die Temperatur des Arbeitsgases betrage T₂ < T₁. Am Kolben greife die äußere Kraft F_mech (hydrostatische Säule, deren Höhe sich während des Vorganges nicht ändert) an, die ein Kräftegleichgewicht zum Arbeitsgasdruck bildet (F_th). Die Wände des Druckzylinders 10 sind wärmedurchlässig. 4 shows the isobaric change in state of a gas between the T ₁ and T ₂ isotherms. Inside the impression cylinder 10 an imaginary frictionless, mass-free piston moves on the path s. The piston in the pressure cylinder 10 is at position X. The pressure cylinder 10 is in a warm bath with temperature T ₁ . The temperature of the working gas is T ₂ <T ₁ . The external force F _mech (hydrostatic column, the height of which does not change during the process) _acts on the piston and forms a balance of forces with the working gas pressure (F _th ). The walls of the impression cylinder 10 are permeable to heat.

Unter diesen Annahmen wird dem Arbeitsgas über die Wände Wärme zugeführt und der Kolben bewegt sich isobar in Richtung zur Stellung Y. Dabei wird die mechanische Arbeit F_mech×Δs ge leistet. Während des Prozessablaufes verringert sich das Temperaturgefälle ΔT1 und erreicht schließlich beim Punkt Y den Wert null. Die Arbeitsgastemperatur im Druckzylinder 10 ist von T₂ auf T₁ gestiegen, das thermische Gleichgewicht ist erreicht. Ohne eine Kraft- oder Temperaturänderung verharrt der Kolben unbeweglich in der Stellung Y. Sämtliche auf das System wirkenden Ungleichgewichtszustände haben den angestrebten Gleichgewichtszustand erreicht. Befinden sich alle auf einen Körper wirkenden Kräfte im Gleichgewicht, dann hat das System den statischen Zustand erreicht. Statische Systeme sind energetisch unfruchtbar und können keine Arbeit leisten.Under these assumptions, heat is supplied to the working gas via the walls and the piston moves isobarically in the direction of the Y position. The mechanical work F _mech × Δs is performed here. The temperature gradient ΔT1 decreases during the process and finally reaches zero at point Y. The working gas temperature in the pressure cylinder 10 has increased from T ₂ to T ₁ , the thermal equilibrium has been reached. Without a change in force or temperature, the piston remains immovably in position Y. All the imbalance states acting on the system have reached the desired equilibrium state. If all forces acting on a body are in balance, the system has reached the static state. Static systems are energetically sterile and cannot do any work.

Im zweiten Fall wird der Druckzylinder 10 in einem Wärmebad mit der Temperatur T₂ untergebracht. Das Arbeitsgas weist die Temperatur T₁ auf. Unter diesen Gegebenheiten verschiebt die angreifende Kraft F_mech (hydrostatische Säule) den Kolben von Y nach X. Die mechanische Kraft F_mech leistet Arbeit am Arbeitsgas und eine adäquate Wärmemenge wird über das Temperaturgefälle ΔT₂ an die Umgebung abgeführt. Erreicht der Kolben den Punkt X, tritt erneut ein Gleichgewichtszustand ein. Die Arbeitsgastemperatur ist identisch mit der Umgebungstemperatur T₂. Das System wird erneut statisch und die Bewegung des Kolbens endet.In the second case, the impression cylinder 10 housed in a warm bath with the temperature T ₂ . The working gas has the temperature T ₁ . Under these conditions, the attacking force F _mech (hydrostatic column) moves the piston from Y to X. The mechanical force F _mech works on the working gas and an adequate amount of heat is dissipated to the environment via the temperature gradient ΔT ₂ . When the piston reaches point X, a state of equilibrium occurs again. The working gas temperature is identical to the ambient temperature T ₂ . The system becomes static again and the movement of the piston ends.

Nach 6 befindet sich das Arbeitsgas anfangs am Prozessstartpunkt 1. Der Arbeitsgasdruck p₁ mit der Arbeitsgastemperatur T₁ bildet ein Kräftegleichgewicht mit der von außen angreifenden mechanischen Kraft –F_mech. Nach Carnot expandiert das Arbeitsgas isotherm von Punkt 1 nach Punkt 2. Ein solcher Vorgang ist technisch nicht möglich, da ein Entropiespalt offen gehalten werden muss.To 6 the working gas is initially at the process start point 1. The working gas pressure p ₁ with the working gas temperature T ₁ forms an equilibrium of forces with the external mechanical force –F _mech . After Carnot that expands Working gas isothermal from point 1 to point 2. Such a process is not technically possible because an entropy gap must be kept open.

Energetisch günstiger ist eine thermische Aufladung des Arbeitsgases von Punkt 1 nach Punkt 2a. Dem Arbeitsgas wird Wärme zugeführt und die Gastemperatur steigt von T₁ auf T₄. Die angreifende äußere mechanische Kraft –F_mech wird aufgrund der zugeführten Wärmemenge Q_zu isobar nach Punkt 2a verschoben und leistet mechanische Arbeit. Beim Punkt 2a wird die Wärmezufuhr an das Arbeitsgas unterbrochen und die angreifende äußere Kraft –F_mech entsprechend dem Verlauf des isentropen Druckes reduziert. Das Arbeitsgas wird isentrop entspannt und leistet hierbei Arbeit aufgrund seiner inneren Energie, wobei die Arbeitsgastemperatur von T₄ auf T₂ = T_u sinkt. Die zugeführte Wärmemenge Q_zu wird bei Vernachlässigung aller Wärmeleitungs- und Abstrahlungsverluste in mechanische Arbeit überführt.Thermal charging of the working gas from point 1 to point 2a is more energy-efficient. Heat is added to the working gas and the gas temperature rises from T ₁ to T ₄ . The attacking external mechanical force –F _mech is shifted _to isobaric to point 2a due to the heat quantity Q and performs mechanical work. At point 2a, the heat supply to the working gas is interrupted and the external force - F _mech is reduced in accordance with the course of the isentropic pressure. The working gas is relaxed isentropically and does work due to its internal energy, whereby the working gas temperature drops from T ₄ to T ₂ = T _u . The supplied heat quantity Q is transferred _to neglecting all heat conduction and radiation losses in mechanical work.

Ein solcher Vorgang ist mit einem thermisch-hydromechanischen oder drehmomentgesteuerten System möglich.Such a process is with one thermal-hydromechanical or torque-controlled system possible.

Nach 7 wird in einer Wärmepumpe ein Kältemittel mechanisch verflüssigt. Dieses Kältemittel muss in einem Kreisprozess erneut verdampfen. Dieser Vorgang wird im Kaltdampfkraftwerk gleichzeitig zur Energie-Reproduktion genutzt. Ein hydrostatischer Druck reguliert den Dampfdruck des Kältemittels. Die für den Verdampfungsvorgang des Kältemittels erforderliche Wärme steht in Form von Umgebungswärme in fast unbegrenzter Menge zur Verfügung.To 7 a refrigerant is mechanically liquefied in a heat pump. This refrigerant has to evaporate again in a cycle. This process is also used in the cold steam power plant for energy reproduction. A hydrostatic pressure regulates the vapor pressure of the refrigerant. The heat required for the evaporation process of the refrigerant is available in the form of ambient heat in an almost unlimited amount.

Ein in einem See, Flusslauf oder Gewässer fest unter der Wasseroberfläche verankerter Druckbehälter 12 ist einschließlich zugeordneter Steigleitungen 13 mit Wasser gefüllt. Zur ge zielten Steuerung des Prozesses weist das System Ventile 14 bis 18 auf, die anfangs geschlossen sind. Über zwei Transportleitungen 19 für Zu- und Rücklauf ist der Druckbehälter 12 an die Wärmepumpe 11 angeschlossen. Um Höhenverluste möglichst gering zu halten, sind mit den Steigleitungen 13 gekoppelte, auf unterschiedlichen Höhen angeordnete Hochbehälter 20, 21 sowie der Druckbehälter 12 relativ flach gebaut. Der Dampfdruck des Kältemittels liege bei Umgebungstemperatur (ca. 280 K) oberhalb von 5 bar. Das Kältemittel wird von der Wärmepumpe 11 verdichtet und verflüssigt. Die Dichte des verflüssigten Kältemittels ist geringer als die Dichte von Wasser und das Kältemittel verhält sich gegenüber Wasser chemisch neutral.A pressure vessel anchored in a lake, river course or body of water firmly below the water surface 12 is including assigned risers 13 filled with water. The system has valves for the targeted control of the process 14 to 18 that are initially closed. Via two transport lines 19 the pressure vessel is for supply and return 12 to the heat pump 11 connected. To keep height losses as low as possible, use the risers 13 coupled high tanks arranged at different heights 20 . 21 as well as the pressure vessel 12 built relatively flat. The vapor pressure of the refrigerant is above 5 bar at ambient temperature (approx. 280 K). The refrigerant is supplied by the heat pump 11 condensed and liquefied. The density of the liquefied refrigerant is lower than the density of water and the refrigerant is chemically neutral to water.

Im System werden die Ventile 16, 18 geöffnet, so dass das Kältemittel von der Wärmepumpe 11 über die eine Zuleitung 19 zu dem Druckbehälter 12 gelangt, der nun über die eine Steigleitung 13 mit dem oberen Hochbehälter 20 in Verbindung steht. Wird dem mit Wasser gefüllten Druckbehälter 12 verflüssigtes Kältemittel mit einem Dampfdruck von > 5 bar bei Umgebungstemperatur über die Zuleitung 19 zugeführt und das in die Zuleitung 19 eingesetzte Ventil 18 geschlossen, beginnt das Kältemittel zu verdampfen und verdrängt ein entsprechendes Wasservolumen zum Hochbehälter 20. Der Verdampfungsvorgang endet, wenn der Gasdruck des Kältemittels und der hydrostatische Druck der Wassersäule einen stabilen Gleichgewichtszustand erreicht haben. Ein stabiler Gleichgewichtszustand stellt sich ein, wenn das Arbeitsgas bei vorhandenem äußeren Druck keine Wärme mehr aufnehmen kann und der Zustand ΔT = 0 erreicht ist. Dieser Zustand ist entsprechend den Annahmenbedingungen erreicht, wenn das Arbeitsgas bis auf 1/5 des Normalvolumens expandiert ist.In the system are the valves 16 . 18 opened so that the refrigerant from the heat pump 11 over the one feed line 19 to the pressure vessel 12 arrives, now via a riser 13 with the upper elevated tank 20 communicates. Will the pressure tank filled with water 12 liquefied refrigerant with a vapor pressure of> 5 bar at ambient temperature via the supply line 19 fed into the supply line 19 used valve 18 closed, the refrigerant begins to evaporate and displaces a corresponding volume of water to the elevated tank 20 , The evaporation process ends when the gas pressure of the refrigerant and the hydrostatic pressure of the water column have reached a stable equilibrium. A stable equilibrium state is established when the working gas can no longer absorb heat at the external pressure and the state ΔT = 0 is reached. This state is reached according to the assumption conditions if the working gas has expanded to 1/5 of the normal volume.

Die gewonnene potentielle Energie des Wassers im Hochbehälter 20 entspricht der aufgenommenen Wärmemenge und ist höher als die aufgewandte mechanische Arbeit. Einzige Energiequelle ist die Umweltwärme. Soweit von außen keine Wärme zugeführt wurde, sinkt die Wassertemperatur der verdrängten Wassermenge. Abweichend von klassischen Verfahren wird bereits die Verdampfungswärme des Kältemittels in Arbeit überführt. Ein realer Expansionsvorgang verläuft etwa bei einem Temperaturgefälle ΔT = 10–20°C. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik wird erkennbar, nach dem Wärme nur in Arbeit überführt wird, solange ein thermischer Ungleichgewichtzustand besteht. Bei einem Temperaturgefälle von ΔT = 0 erreicht das Arbeitsgas, das Kältemittel, den Gleichgewichtszustand. Ein dynamischer, energieerzeugender Prozess wandelt sich in ein statisches System um. Die Entropie muss zunehmen, um den Prozess dynamisch zu erhalten.The potential energy of the water obtained in the elevated tank 20 corresponds to the amount of heat absorbed and is higher than the mechanical work. The only source of energy is environmental heat. If no heat is supplied from the outside, the water temperature of the displaced water quantity drops. Deviating from classic processes, the heat of vaporization of the refrigerant is already being worked on. A real expansion process takes place at a temperature gradient ΔT = 10–20 ° C. The second law of thermodynamics becomes apparent, according to which heat is only transferred into work as long as there is a thermal imbalance condition. With a temperature gradient of ΔT = 0, the working gas, the refrigerant, reaches the equilibrium state. A dynamic, energy-generating process is transformed into a static system. Entropy must increase to keep the process dynamic.

Die Energieausbeute auf Kosten der Umweltwärme ist noch nicht beendet. Wird das Ventil 16 zum oberen Hochbehälter 20 geschlossen und das Ventil 15 zum unteren Hochbehälter 21 geöffnet, entsteht ein neuer Ungleichgewichtszustand. Das Arbeitsgas strebt erneut den Gleichgewichtszustand an. Nach den getroffenen Annahmen hat sich der äußere Druck, der der Wassersäule, verringert und das Arbeitgasvolumen wird sich aufgrund des geringeren Gegendruckes vergrößern und Wasser zum unteren Hochbehälter 21 verdrängen. Weitere potentielle Arbeit wird auf Kosten der Umweltwärme gewonnen.The energy yield at the expense of environmental heat has not yet ended. Will the valve 16 to the upper elevated tank 20 closed and the valve 15 to the lower elevated tank 21 opened, a new state of imbalance arises. The working gas again strives for equilibrium. According to the assumptions made, the external pressure, that of the water column, has decreased and the working gas volume will increase due to the lower back pressure and water to the lower elevated tank 21 displace. Further potential work is gained at the expense of environmental heat.

Das vorgestellte System dient überwiegend der einfachen Be weisführung. Eine absolute Energieausbeute ist hier nicht angedacht. Die Prozessführung zur Nutzung der Umweltwärme endet hier vorzeitig. Nach Temperatur- und Druckausgleich im zweiten Arbeitstakt wird das Ventil 15 zum unteren Hochbehälter 21 geschlossen und das in die als Rücklauf ausgebildete Zuleitung 19 eingesetzte Ventil 17 geöffnet. Das Arbeitsgas, also das Kältemittel, wird zur Verdichtung aufgrund des herrschenden Überdruckes über die Zuleitung 19 der Wärmepumpe 11 zugeführt. Sobald der Wasserdruck der Umgebung und der Gasdruck im Druckbehälter 12 im Gleichgewicht stehen, öffnet Ventil 14. Das dichtere Wasser schiebt das restliche Kältemittel über die Zuleitung 19 zur Wärmepumpe 11 und füllt gleichzeitig den Druckbehälter 12. Nach Beendigung des Füllvorganges schließen die Ventile 14, 17. Der Kältemittelkreislauf ist geschlossen. Die aus dem Prozess gewonnene potentielle Energie des Wassers wird bei Bedarf mittels einer Wasserturbine 22 in elektrische Energie überführt.The system presented is mainly used to provide simple evidence. An absolute energy yield is not considered here. The process control for the use of environmental heat ends prematurely here. After temperature and pressure equalization in the second work cycle, the valve 15 to the lower elevated tank 21 closed and into the supply line designed as a return 19 used valve 17 open. The working gas, i.e. the refrigerant, is used for compression due to the prevailing excess pressure via the supply line 19 the heat pump 11 fed. As soon as the water pressure in the environment and the gas pressure in the pressure vessel 12 are in balance, valve opens 14 , The denser water pushes the remaining refrigerant over the inlet management 19 to the heat pump 11 and fills the pressure vessel at the same time 12 , The valves close when the filling process is complete 14 . 17 , The refrigerant circuit is closed. The potential energy of the water obtained from the process is, if necessary, by means of a water turbine 22 converted into electrical energy.

Claims

Method for converting energy according to a closed thermodynamic cycle, in particular according to the Carnot process, using a working gas to which heat is added to perform work, characterized in that the temperature of the working gas is controlled by a mechanical back pressure acting on the working gas, which is proportional to and opposed to the pressure of the working gas.

A method according to claim 1, characterized in that the Back pressure is generated using the ambient heat.

Device for carrying out the method according to claim 1 with a heat pump ( 11 ) for the liquefaction of a refrigerant, characterized in that the heat pump ( 11 ) with a pressure vessel ( 12 ) is coupled, in which the refrigerant evaporates under the influence of a back pressure.

Device according to claim 3, characterized in that the pressure vessel ( 12 ) is connected to a device for storing potential energy which generates the counterpressure.

Device according to claim 3 or 4, characterized in that the pressure vessel ( 12 ) to control work cycles via valves ( 14 - 18 ) with the heat pump ( 11 ) and the facility is connected.

Device according to one of claims 3 to 5, characterized in that the pressure vessel ( 12 ) is exposed to the ambient temperature in an open reservoir.

Apparatus according to claim 4 or 5, characterized in that the device has at least one elevated tank ( 20 . 21 ) for the absorption of water that flows through a riser ( 13 ) with the pressure vessel ( 12 ) is coupled.

Device according to one of claims 3 to 5, characterized in that the device with a high container ( 20 . 21 ) connected water turbine ( 22 ) assigned.