Es ist bekannt, dass die Umwandlung
von Wärme
in mechanische Energie bzw. Strom durch den Carnot-Wirkungsgrad
begrenzt ist, der als theoretische Höchstgrenze für alle thermodynamischen Kreisprozesse
gilt. Grundsätzlich
läßt sich
aus einem Energieträger
als Nutzarbeit W nur die Energiedifferenz aus der inneren Energie
in einem „energiereicheren" Zustand Uh (vor der Energieabgabe) zur inneren Energie
in einem „energieärmeren" Zustand Uc (nach der Energieabgabe) nutzen. W = Uh – Uc und dem Wirkungsgrad η = 1 – Uc/Uh. Diese innere Energie U entspricht der
im Energieträger
gespeicherten Wärmemenge
Q, in Form von Temperatur und atomarer Bindungsenergie (Latentwärme). So
gilt auch W = Qh – Qc
Es gibt verschiedene Verfahren zur
Umwandlung von Wärme
in Kraft oder Strom.
Die thermoelektrische Energieumwandlung (Seebeck-Effekt)
erreicht bisher nur einen geringen Wirkungsgrad, der prinzipbedingt
deutlich kleiner als der Carnot-Wirkungsgrad ist, und blieb im wesentlichen
auf sensorische Anwendungen beschränkt.
Thermovoltaik beruht auf der Erhitzung
eines „schwarzen
Strahlers" (z.B.
mit breitbandiger Solarstrahlung, heißen Gasen oder langwelliger
Sekundär-IR)
und diesen als Emitter in Kombination mit reflektierenden Filtern
für ein
schmalbandiges IR-Strahlungsspektrum nutzt, das auf den (prinzipbedingt)
schmalbandigen Effizienzbereich einer Photovoltaik-Zelle abgestimmt
ist. Mit seltenen Erden dotierte Strahlermaterialien ermöglichen
schmalbandige Abstrahlung. Praktisch erreichen TPV-Generatoren heute
10% Wirkungsgrad, in Kombination mit mehrlagigen Dünnschicht-Photovoltaik-Zellen (Tandem- oder
Tripel-Zellen) bis zu 36% bei Solarstrahlungsnutzung.
Thermionische Generatoren erzeugen
freie Elektronen durch Glühen
von Elektroden im Vakuum. Es sind Temperaturunterschiede von typischerweise >1000°C erforderlich.
Bisher wurden an Versuchselektroden aus Wolfram Wirkungsgrade von
bis zu 20% erreicht. In jüngster
Zeit wird über
neue Werkstoffe und „thermische
Dioden" in Dünnschichttechnologie
berichtet, die bei 200–400°C Wirkungsgrade um
20% bei der Stromerzeugung aus Abwärme ermöglichen.
Die Effizienz thermo- und photoelektrischer Verfahren
wird u.a. durch den Staebler-Wronski-Effekt eingeschränkt, der
ein Rekombinieren der freigesetzten Elektronen noch in der aktiven
Halbleiterschicht bewirkt.
Die magnetohydrodynamische Energieumwandlung
(MHD-Prozeß)
stellt die direkte Umwandlung der kinetischen Energie eines strömenden,
leitfähigen
Fluids in elektrische Energie dar. Segmentierte Faraday-Generatoren
und Hallgeneratoren mit ionisierten Gasen oder Flüssigmetall
sind technische MHD-Anwendungen in Kraftwerken, insbesondere für Hochtemperatur-Anwendungen.
Die maximal erreichbare Effizienz des Carnotschen Wirkungsgrads wird
durch die Leitfähigkeit
und Viskosität
des Fluids begrenzt.
Thermodynamische Energiewandler haben die
größte Verbreitung
gefunden. Gebräuchliche Kraft-Wärme-Prozesse in ihren Varianten,
wie Carnot-, Otto-, Diesel-, Stirling-, Joule/Brayton-, Ericson-,
Rankine- oder Kalina-Kreisprozesse sind bekanntlich dadurch gekennzeichnet,
dass mit einem Wärmeträgermedium,
z.B. Gas oder Gas-Flüssigkeits-Gemisch,
Temperatur- und/oder Druckwechsel durchgeführt werden. Bei vorhandenem
Wärmefluss kann
mechanische Energie abgenommen werden. Der mechanische Wirkungsgrad
steigt mit zunehmender Temperaturdifferenz, wobei er jedoch aufgrund
werkstofflich bedingter Beschränkungen
praktisch kaum wesentlich über
60% steigen kann, selbst bei Ausnutzung von Phasenübergängen zwischen Flüssigkeiten
und Gasen. Während
man bei der Expansion von Gasen die zugeführte Wärme nur im freien Raum (z.B.
Explosion im Weltraum-Vakuum) vollständig in mechanische Arbeit
umwandeln kann, ist bei reversiblen Prozessen durch den Verdichtungstakt
und aufgrund der Kompressibilität
des Arbeitsmediums die bekannte Wirkungsgrad-Beschränkung des
Carnotschen Kreisprozesses zu sehen. Ein beträchtlicher Teil der Input-Wärme fällt wiederum
als Abwärme
auf niedrigerem Temperaturniveau an, nur ein Teil kann in mechanische
Arbeit umgesetzt werden. Dem wird inzwischen mit sogenannten Nachüberhitzern
in Wärmepumpen
begegnet, womit der Wärmeübergang
und mechanische Wirkungsgrad etwas gesteigert werden kann.
Bei geringen Temperaturunterschieden
von unter 100K zur Umgebung, z.B. Abwärme technischer Anlagen (Kühlwasser
30–95°C), Solar-Kollektoren
oder Geothermal-Quellen erreicht man z.B. mit Low-Temperature-Stirling-Motoren
bestenfalls ca. 26% Wirkungsgrad. Aufgrund der geringen Energiespeicherkapazität des Arbeitsmediums
(Gas) sind für wirtschaftlich
sinnvoll nutzbare Energiebeträge
sehr große
Volumina erforderlich, was das Verfahren für geringe Temperaturdifferenzen
unwirtschaftlich macht.
Memory-Metalle, wie z.B. bestimmte
Nickel-Titan-Legierungen (Nitinol) oder auch Kupfer-Aluminium-Beryllium (CuAlBe)
und Kupfer-Aluminium-Nickel-Legierungen (CuAlNi) zeigen bekanntlich
eine ausgeprägte
Eigenschaft zur Formänderung bei
Erwärmung,
den sogen. Shape Memory Effect (SME).
Dieser Effekt beruht auf der Phasenumwandlung
zwischen martensitischem und austenitischem Metallgitter-Gefüge. Wenn
das Material unterhalb der Transformationstemperatur mechanisch
mit vergleichsweise geringer Kraft verformt wird, kehrt es bei Erwärmung über die
Transformationstemperatur im Moment der Gefügeänderung unter Freisetzung höherer Kräfte in seine
Ausgangsform zurück.
Diese Kraft-Weg-Differenz kann als mechanische Arbeit entnommen
werden, wobei eine Entropieänderung zu
verzeichnen ist.
Durch einen „Trainingseffekt" können sogar sogenannte
2-Wege-SME hergestellt werden, die nicht nur bei Erwärmung, sondern
auch bei Abkühlung
ohne oder nur sehr geringe äußere Krafteinwirkung
wieder in ihre Form zurückkehren,
ja sogar Arbeit verrichten können,
also zwischen einer „Heißform" und einer „Kaltform" nur durch Temperaturschwankungen
im Bereich der unteren (Mf) und oberen (Af) Transformationstemperatur wechseln können.
Diese Phasenumwandlung tritt in dem
begrenzten Temperaturbereich zwischen martensitischer Gefügestruktur
Mf und austenitischer Struktur Af ( = obere Temperaturgrenze) auf, wobei
für die Rücktransformation
eine Hysterese (Temperaturverschiebung) zu verzeichnen ist, die
vom Material abhängt.
Bei Nitinol liegt sie typischerweise im Bereich 20–30K, jedoch
bis unter 15K sind schon realisiert worden.
Es wurden seit der Entdeckung von
SME im Jahre 1932 (AuCd) und den frühen 60er Jahren (NiTi) z.B.
mit SME-Muscle-Wire und SME-Federn diverse Carnot-Wärme-Kraft-Maschinen
gebaut, z.B. indem die SME-Elemente abwechselnd in warmes und kaltes
Wasser getaucht oder die Abkühlung
an der Luft vorgenommen wurde.
Dabei stellte man fest, dass der
erreichbare Carnot-Wirkungsgrad nur 4–9% betrug. Ursache für den noch
schlechteren Wirkungsgrad ist, dass im SME-Werkstoff beträchtlich
Wärme als
innere Energie (Bewegungsenergie der Moleküle) „zwischengespeichert" wird (und wieder
abgeführt
werden muss) und „innere
Reibungswärme" entsteht, ohne dass diese
mechanisch während
der Phasenumwandlung nutzbar wird. Weitere Ursachen waren konstruktive Wärmeverluste
durch passive Konstruktionselemente und Abstrahlung. Durch Ausrichtung
des Metallgefüges
und optimale Kraftbeaufschlagung für die superelastische Gefügedeformation
und Verringerung interner Gefügeverspannungen
(innere Reibung beeinflusst Hysterese) lässt sich der mechanische Wirkungsgrad
noch etwas verbessern. Dieser „optimale" Wirkungsgrad eines
solchen Carnot-Prozesses
beträgt
dann trotzdem nicht mehr als 9–12%,
denn die zwischengespeicherte Wärmeenergie
der Metallatome wird im nächsten
Kühlzyklus
ungenutzt wieder abgegeben.
Auch unter Berücksichtigung der Herstellungskosten
konnten sie sich bisher nicht gegen andere Carnot-Kreisprozesse,
wie Otto, Diesel-, Stirlingmotoren und Kalina-Turbinen-Aggregate
durchsetzen.
Aufgrund des besonderen Prinzips
von Memory-Metall bedeutet ein optimaler Wirkungsgrad bei der energetischen
Nutzung von SME-Metall-Legierungen, dass der Temperaturwechsel möglichst
nur in dem engen Bereich der Phasenumwandlung vorgenommen wird und
wenn das SME-Material eine möglichst
geringe Hysterese hat. Im Gegensatz zu den vorstehend genannten
thermodynamischen Kreisprozessen, MHD, Thermovoltaik- und thermoionischen
Prozessen bewirkt bei der SME-Phasenumwandlung
in einem bestimmten Punkt eines Memorymetall-Werkstoffes eine weitere
Temperaturdifferenz jenseits des Transformationsbereiches keine
Wirkungsgrad-Verbesserung, sondern eine Verschlechterung, da aufgrund
der Wärmekapazität des Metalles
mehr Wärme „zwischengespeichert" wird, der mechanisch
abnehmbare Energieanteil jedoch gleich geblieben ist.
Der magneto-calorische Effekt beruht
darauf, dass ferromagnetische Materialien wie die Metalle Eisen,
Nickel, Cobalt, Gadolinium, Terbium und Metalllegierungen wie Monel
(Cu-Ni), Eisen-Mangan-Legierungen
oder auch Oxide wie Europiumoxid beim Übersteigen einer werkstoffspezifischen
Temperatur, der Curie-Temperatur, vom ferromagnetischen Zustand
in den paramagnetischen Zustand wechseln, wobei sich die Entropie ändert (äußert sich in
der Veränderung
der Wärmespeicherkapazität). Wird
das Material einem Magnetfeld ausgesetzt, erwärmt es sich etwas. Wird diese
Wärme knapp
oberhalb der Curie-Temperatur abgeführt und dann das Magnetfeld
entfernt, tritt ein Kühleffekt
auf. Dies kann für
einen Kreisprozess genutzt werden. Durch Wärmeflusswechsel können magnetische
Flusswechsel (Aufmagnetisieren und Entmagnetisieren) und damit durch
Induktion (z.B. in Spulen) direkt elektrischer Strom erzeugt werden.
Der Taktzyklus ist:
- 1. Aufmagnetisieren im
abgekühlten
Zustand unterhalb der Curietemperatur, z.B. mit einem Dauermagneten,
bei gleichzeitig weiterer Kühlung
von Außen.
Dabei kann mechanische Energie (Anziehungskraft des Magneten verkürzt den
Weg zum ferromagnetischen Arbeitsmedium und magnetische Flußdichte
erhöht
sich) oder elektrische Energie entnommen werden (Aufbau des Magnetfeldes
kann zu Induktion einer elektrischen Spannung in einer Spule genutzt
werden). Nachdem diese Energieentnahme stattgefunden hat, ist das ferromagnetische
Arbeitsmedium aufmagnetisiert. Durch den MCE erwärmt es sich dabei etwas. Diese
Wärme muß möglichst
schnell aus dem Arbeitsmedium abgeführt werden, da sich sonst das
magnetische Moment verringert, wenn die Curietemperatur erreicht
wird.
- 2. Wärmezufuhr
nach erfolgter Lastentnahme über
die Curietemperatur. Die magnetische Flußdichte im Arbeitsmedium verringert
sich.
- 3. Entmagnetisieren im aufgewärmten Zustand oberhalb der
Curietemperatur, z.B. Entfernung des Dauermagneten, bei gleichzeitig
weiterer Wärmezufuhr.
Dabei wird nur sehr wenig mechanische Energie benötigt, da
das Arbeitsmedium nicht mehr ferromagnetisch ist und kaum noch eine
Anziehungskraft zum Magneten aufweist). Der MCE bewirkt bei Reduzierung
des Magnetfeldes eine Kühlung
im Material. Dieser innere Kühleffekt
bedingt die schnelle Nachführung
von einer solchen Wärmemenge,
wie sie der Summe aus vorher entnommener Nutzenergie (mech./elektr.) plus
der im Takt 1 abgeführten
Wärme entspricht.
- 4. Weitere Kühlung
des Arbeitsmediums von Außen
unter die Curietemperatur. Das Arbeitsmedium wird wieder ferromagnetisch,
bleibt jedoch entmagnetisiert. Es folgt wieder Takt 1.
Der Wärmefluss im Arbeitsmedium und
der Wärmeübergang
nach Außen
sowie das Verhältnis von
spezifischer Wärmekapazität (unnutzbare
Latentwäme)
und Entropieänderung
(MCE im Bereich der Curietemperatur) setzen dem Carnot-Wirkungsgrad
Grenzen.
Auch hier gilt analog zum SME-Effekt,
dass der magnetische bzw. elektrische Wirkungsgrad mit einem durchgehend
einheitlichen Material-Block bei einem thermodynamischen Kreislaufprozess
durch nicht genutzte Latentwärme
begrenzt ist, denn die Entropieänderung
liegt in der Größenordnung
von nur 5–8%
der spezifischen Wämekapazität der Legierung.
Auch hier führt
im Gegensatz zu anderen thermodynamischen Prozessen die Erhöhung der Temperaturdifferenz
zwischen kalter und warmer Seite über die Hysterese-Grenzen hinaus
nicht zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades sondern zu dessen
Verschlechterung.
Entwicklungen auf der Basis des Metalls
Gadolinium nutzen den magneto-calorischen Effekt zur Kühlung (Kühlschrank
ohne Kompressor), wobei auch aus dem vorstehend genannten Grund
nur eine begrenzte Temperaturdifferenz zu erzielen ist, die mit der
Höhe der
Entropieänderung ΔS zur Gesamtentropie
im magnetisierten Heißzustand
proportional ist. Siehe
US03841107 ,
US3393526 ,
US04107935 ,
US4408463 (Schichten),
US04457135 ,
US4464903 ,
US04704871 und WO 01/20233 A1. Hier
wurden jedoch bereits deutliche Steigerungen des Wirkungsgrades
gegenüber
Gaskompressions-Kühlaggregaten
festgestellt. Da das Arbeitsmedium nicht kompressibel ist, treten
die in Gas-Kreisprozessen unvermeidbaren Zusatzverluste nicht auf
und es kann v.a. eine beträchtliche
Baugrößenreduzierung
entsprechender Vorrichtungen erzielt werden.
MCE-Wärme-Stromgeneratoren und Wandler
werden ebenfalls beschrieben in
DE3815500 ,
EP0308611 ,
DE3732312 , wenngleich hier behauptet wird,
nur aus Umgebungswärme
gleichzeitig Strom und Kälte
erzeugen zu können,
was lt. 2. Hauptsatz der Thermodynamik zweifelhaft erscheint.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
einen Wärmeenergie-Wandler
zu entwickeln, der sich durch einen hohen Wirkungsgrad insbesondere
in einem Temperaturbereich zwischen 0–120°C auszeichnet, um Wärme in mechanische
oder elektrische Energie zu transformieren.
Ziel ist es, den mechanischen Wirkungsgrad bei
der Wärme-Kraft-Transformation
gegenüber
klassischen thermodynamischen Prozessen zu steigern, insbesondere
zur effizienten Nutzung geringer Temperaturunterschiede.
Die Aufgabe wird folgendermaßen gelöst:
Betrachtet
man zunächst
die theoretischen Grundlagen, läßt sich
grundsätzlich
außer über die
Temperaturspanne die Energieausbeute einer Wärme-Kraft-Maschine und damit
die kostenbestimmende Maschinengröße wie folgt beeinflussen:
- 1. Wechsel des Arbeitsmediums mit höherer Energiedichte
(mehr gespeicherte innere Energie pro Masse- bzw. Volumeneinheit)
- 2. Verbesserter Wärmefluß und Wärmeübergang (Energietransport
pro Zeiteinheit)
- 3. Reduzierung sonstiger Verluste (Reibung, Abstrahlung, Kühlung, etc.)
- 4. Nutzung molekularer Bindungskräfte in Form von Phasenumwandlungen
oder chemischen Reaktionen des Energieträgers in der Temperaturspanne
des Betriebsbereiches, um dem mit Erwärmung des Arbeitsmediums sonst
schlechter werdenden Wärmeübergang
entgegenzuwirken.
Temperatur ist nicht gleich Wärmeenergie und
auch nicht immer mit ihr proportional. Bei Phasenübergängen erster
Ordnung, wie sie Aggregatzustandsänderungen (Schmelzen, Verdampfen)
darstellen, kommt es zu einer Zwischenspeicherung in Form von innerer
Energie (Latentwärme),
die sich durch das typische Temperaturplateau äußert. Die Temperatur bleibt
trotz Energiezufuhr oder -abgabe solange konstant, bis die Phasenumwandlung
komplett vollzogen ist.
Temperaturabhängige Phasenumwandlungen haben
ein interessantes Energiepotential, besonders die Entropie-Anisotropien
von Phasenübergängen zweiter
Ordnung, wie z.B. die Umwandlung vom ferromagnetischen zum paramagnetischen
Zustand einiger Metalle (Magnetocalorischer Effect), die Umwandlung
vom martensitischen zum austenitischen Metallgitterzustand (Shape
Memory Effect) oder auch die Umwandlung vom normal leitfähigen zum
supraleitfähigen
Zustand (Supraleitung).
Der Lösungsansatz für das erfindungsgemäße Verfahren
beruht auf der Phasenumwandlung zweiter Ordnung einiger fester Werkstoffe.
Diese sind dadurch gekennzeichnet, dass eine Umwandlung von Wärmeenergie
in mechanische (SME) oder magnetische bzw. elektrische Energie (MCE)
nur in einem engen Temperaturbereich zu verzeichnen ist und nach
fester Einstellung dieser werkstoffspezifischen Umwandlungstemperatur
im Gegensatz zu anderen thermodynamischen Prozessen (z.B. mit Gasen)
keine proportionale Abhängigkeit
des Wirkungsgrades von der verfügbaren
Temperaturdifferenz besteht. Eine Änderung des Aggregatzustandes erfolgt
dabei nicht, jedoch eine Änderung
der Entropie ohne wesentliche Änderungen
von Volumen und Druck. Ein Temperaturplateau, wie bei Phasenumwandlungen
erster Ordnung (Aggregatzustandsänderungen)
tritt nicht auf.
Erfindungsgemäß wird als Arbeitsmedium der
Wärme-Kraft-Maschine
nicht Gas, sondern eine Metalllegierung eingesetzt und darin die
Phasenumwandlung zweiter Ordnung für die Energiewandlung genutzt.
Als Wärmetransportmedium
kommt vorzugsweise Wasser bzw. eine wäßrige Lösung zum Einsatz. Der Wärmeübergang
turbulent strömendes Wasser
zu Metall oder kondensierender Dampf an Metall ist erheblich besser
als bei Gas-Kreisprozessen (Gas-Metall). Aber auch Gase und überkritische Fluids
kommen dafür
in Betracht.
In der Beschreibung klassischer thermodynamischer
Verfahren wird die Entropieberechnung häufig mit folgender Formel angegeben:
Druck, Volumen und Temperatur sind
Einflußgrößen der
inneren Energie. Die Formel ist jedoch unvollständig, denn auch Magnetismus
ist eine Einflußgröße der Entropie,
zumindestens bei ferromagnetischen Stoffen (Siehe magnetocalorischen Effekt).
So findet man mit der Maxwell-Gleichung
die Beziehung der Entropie zum Magnetmoment als Funktion der Temperatur
und der magnetischen Feldstärke:
Phasenumwandlungen zweiter Ordnung
bewirken im Arbeitsmedium Änderungen
elektromagnetischer (!) Kräfte
in der atomaren Metallgitter-Gefügestruktur.
Beim Magneto-Calorischen Effekt MCE verändert sich die magnetische
Leitfähigkeit
(magnetische Permeabilität)
drastisch, bei der Umwandlung zur Supraleitfähigkeit ist es die elektrische
Leitfähigkeit
und beim Shape-Memeory-Effekt (SME) ist es die geometische Form
unter Freisetzung von Kräften.
Ganz entscheidend dabei ist, dass
die Einflußgrößen Druck
und Volumen des Arbeitsmediums dabei konstant bleiben und auch die
Temperaturspanne der Phasenumwandlung sehr eng ist. Es gilt z.B.
für den
MCE die Beziehung:
Bei konstanter Temperatur ist die
Entropieänderung
mit der Magnetfeld-Änderung
proportional wie bei konstantem Magnetfeld das Magnetmoment mit
der Temperatur proportional ist. Im Arbeitsmedium Metall sind dabei
die anderen Einflußgrößen der Entropie
(Druckänderung,
Volumenänderung)
vernachlässigbar
klein (ebenso wie bei den anderen Phasenumwandlungen 2. Ordnung).
Das ist die Basis dafür,
die Temperaturänderungen
direkt in Magnetfeldänderungen
umzuwandeln, die zur Induktion von Strom oder für einen motorischen Antrieb
genutzt werden können.
Wenn es gelingt, die im MCE-Metall
gespeicherte Latentwärme
mit für
die Phasenumwandlung zu nutzen, können diese Temperaturwechsel
nahezu vollständig
in magnetische Momentänderungen
umgewandelt werden. Wird dabei mechanische Arbeit verrichtet bzw.
Elektroenergie induziert, ist der dabei entstehende Kühleffekt
mit der Energieentnahme (unter idealer Volllast) weitgehend gleich
zu setzen und damit im Prinzip ein Wirkungsgrad nahe dem theoretischen
Maximum erzielbar, wie das auch von elektrischen Maschinen oder
Brennstoffzellen bekannt ist. Nun gibt es sicher keine „ideale
Volllast" und Reibungsverluste,
etc, jedoch drückt
aber kein „Verdichtungstakt" oder „Staebler-Wronski-Effekt" wie bei anderen
Verfahren auf den Wirkungsgrad.
Was bei Memory-Metallen und dem magneto-calorischen
Effekt bezüglich
des Wirkungsgrades zunächst
nachteilig erscheinen mag, nämlich
dass mit zunehmender Temperaturdifferenz eine Verschlechterung des
Wirkungsgrades eintritt, kann jedoch durch Mehrfachnutzung des Transformations-Effekts
in Form einer thermischen Reihenschaltung und in Kombination mit
einer Wärmerückgewinnung
zu einer deutlichen Wirkungsgradverbesserung führen, die mit zunehmender Temperaturdifferenz und
Anzahl der Stufen sich dem theoretischen Maximum immer mehr annähern läßt.
Durch eine Reihenschaltung derartiger
Phasenumwandlungen entlang der Richtung des Wärmeflusses, überlagert
mit einem alternierenden Wärmeübertrag
(thermische Schwingung mit jedoch gerichtetem Wärmefluss) kann der resultierende
Wirkungsgrad verbessert werden.
Dazu wird durch gezielte Modifikation
der Werkstoffeigenschaften des phasenumzuwandelnden Materials entlang
der Achse des Wärmeflusses eine
gradientenartige Verschiebung der Transformationstemperatur fest
eingestellt und der spätere
Betriebstemperaturbereich einer derartigen Vorrichtung bereits bei
der Herstellung genau festgelegt.
Zwischen der warmen und der kalten
Seite angeordnet, stellt sich ohnehin ein statisches Temperaturgleichgewicht
ein. Bei homogener Wärmeleitfähigkeit
und Wandstärke
des phasenumzuwandelnden Werkstoffes ist die Temperaturverteilung
linear. Wird nun der Schichtaufbau so gestaltet, dass entsprechend
der zu erwartenden statischen Temperaturverteilung im Werkstoff
die Transformationstemperaturen für die Phasenumwandlung in gleicher
Weise gradientenartig eingestellt werden, so genügt ein geringer, alternierender
Temperaturwechsel im Bereich der Transformations-Hysterese, um im gesamten Werkstoff
möglichst
gleichzeitig die Phasenumwandlung vorzunehmen. Der alternierende
Temperaturwechsel wird von Außen
erregt, z.B. mit einem alternierend hin und her strömenden Wärmeträgermedium.
Die Energie dieser Erreger-Schwingung kann im Resonanzbereich weitgehend
zurückgewonnen
werden, nur Dämpfungsverluste
(der Strömung)
müssen kompensiert
werden. Die als mechanische oder elektrische Arbeit entnehmbare
Energie ist dem von außen
nachzuführenden
Wärmefluss
proportional. Dies kann ggf. durch einen von der warmen zur kalten
Seite strömenden
Teilstrom eines Wärmeübertragermediums
unterstützt
werden. Die von diesem Teilstrom abgegebene Energie entspricht weitgehend
der Nutzenergie. Carnot-Verluste entstehen in der oberen und unteren
Schicht und sind für
die Temperaturspanne der Transformationshysterese zu berücksichtigen,
nicht jedoch für
den gesamten Betriebstemperaturbereich. Zwischen den Schichten findet
eine Nutzung der im Werkstoff gespeicherten Latentwärme statt,
die im Schichtsystem verbleibt und somit ein größerer Betrag dieser Latentwärme für die Phasenumwandlung
genutzt wird als bei einem homogenen Werkstoff mit nur einer Umwandlungstemperatur.
Während
sich erfindungsgemäße Energiewandler
auf Basis von Memory-Metall (SMS) aufgrund der großen Hysterese
(bei Nitinol 20–30K)
vorzugsweise für
langsam schwingende Systeme eignen (z.B. Pumpen), sind mit dem magneto-calorischen
Effekt (MCE) schneller schwingende Systeme, z.B. zur Erzeugung von
Strom, realisierbar. Hier ist kaum eine Hysterese zu verzeichnen,
was bei vergleichbarem Wärmefluss
deutlich höhere
Schaltfrequenzen und Wirkungsgrade ermöglicht.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand mehrerer
Ausführungsbeispiele
für damit
realisierbare Energiewandler erläutert,
dargestellt auf 1–3.
Das erfindungsgemäße Verfahren auf der Basis
des Formgedächtnis-Effekts
(SME), kann z.B. in einem Energiewandler auf Basis der Memory-Metall-Legierung
NiTi (Nitinol) realisiert werden. Der Zweck des Verfahrens besteht
darin, die latent im Nitinol-Werkstoff gespeicherte Wärme, die
während
der Gefügetransformation
nicht in mechanische Energie umgewandelt werden kann und im „normalen" Carnot-Zyklus durch
Kühlung
abgeführt
werden muss, so zurück
zu gewinnen, dass sie an einer anderen Stelle des SME-Konstruktionselementes
trotz ihres geänderten
Temperaturniveaus nochmals wiederum für Transformationsprozesse in
mechanische Energie zur Verfügung
steht.
Dies wird durch Reihenschaltung verschiedener
SME-Elemente mit unterschiedlichen Transformationstemperaturen erreicht,
in denen ein Wärmeträgermedium
vorzugsweise innen alternierend hin und her bewegt wird.
Grundlage dafür ist, dass man durch geringfügige Änderungen
der chemischen Zusammensetzung von Memory-Metall-Legierungen, deren
Umwandlungstemperatur recht genau einstellen kann, bei Nitinol,
z.B. über
den Nickelgehalt.
Außerdem kann man durch eine
Wärmebehandlung
(Anlassen) mit ein und derselben Legierung die Umwandlungstemperatur
nochmals beeinflussen und um bis zu 20 K verschieben.
Man kann somit z.B. Rohre „aus einem Guss" herstellen, die
an einem Ende eine um bis zu 20 K höhere Transformationstemperatur
aufweisen als am anderen Ende, indem die Anlass-Temperatur an einem
Ende höher
gewählt
wird als am anderen Ende.
Durch Hintereinander-Schaltung mehrerer solcher
Rohre, die jeweils noch in ihrer chemischen Zusammensetzung um ca.
20 K verschobene Transformationstemperaturen aufweisen, lassen sich
Gradienten-RÖhren
herstellen, bei denen der Transformations-Schaltpunkt am einen Ende
z.B. bei 150°C liegt,
linear über
die Länge
abnimmt und am anderen Ende die Transformations-Schalttemperatur z.B. 15°C beträgt. Der
Betriebsbereich liegt in diesem Beispiel fest zwischen 150°C und 15°C.
Nickel-Titan-Legierungen mit teilweise
geringfügigen
Beimengungen anderer Stoffe sind aufgrund ihrer guten Zähigkeit
und Korrosionsbeständigkeit
für derartige
Rohre sehr gut geeignet. Bei einer Deformation von unter 2,5% kann
z.B. bei Nitinol mit Dauerfestigkeit gerechnet werden (Millionen Schaltzyklen
ohne Bruch).
Die Hysterese liegt bei Nitinol typischerweise im
Bereich zwischen 20–30
Kelvin. Sie kann durch eine besonders feinkörnige, ausgerichtete Kristallgefügestruktur
im Metall reduziert werden. Kaltverformungsprozesse, Pulvermetallurgie
und mechanisches Legieren sind Möglichkeiten
für diese
Optimierungen. Eine auf diese Weise verringerte Hysterese bewirkt
zudem eine Verringerung der im martensitischen Zustand erforderlichen
Vordeformationskräfte (Platau-Stress),
was die Ausbeute der Nutzarbeit vergrößert.
Die Phasenumwandlung bewirkt (je
nach Konstruktion) eine translatorische oder rotatorische Bewegung
des Rohres mit beträchtlicher
Kraft. Eine optimale Kraftausbeute aus dem Metallgefüge eines solchen
Rohres ist zu erwarten, wenn eine axiale Dehnung mit einer Torsion
kombiniert wird.
Auf dem alternierenden Weg des Wärmeträgermediums
durch das Rohr findet eine Wärmerückgewinnung
des im Metall gespeicherten Restwärmebetrages statt, der nicht
durch die Phasenumwandlung als mechanische Energie dem System entnommen
werden konnte.
Der mechanische Wirkungsgrad übersteigt dadurch
deutlich den bekannter Nitinol Carnot-Maschinen mit nur einer definierten
Transformationstemperatur und liegt um so höher, je feiner die Transformationsschaltpunkte über die
gesamte Rohrlänge (möglichst
linear) abgestuft sind und je geringer die Hysterese dabei ist.
Der maximal mögliche
Wirkungsgrad hängt
vom Verhältnis
der gesamten Temperaturdifferenz zur resultierenden Hysterese ab (des
Teilsegments mit der größten Hysterese).
Es kommt daher darauf an, das Material so zu optimieren, dass sich
der Transformationspunkt über
die Länge
der Gesamtrohres möglichst
linear und gleichmäßig ändert und
in allen Teilsegmenten weitgehend die gleiche Hysterese aufweist,
die möglichst
kurz sein soll. Das Wärmeträgermedium
muss nicht alternierend die gesamte Weglänge des Rohres durchqueren,
sondern (je nach Wärmekapazität und Wärmeübergang)
nur durch einen Teil, dessen Längenverhältnis u.a.
vom Temperaturverhältnis
(Af heiß – Af kalt) zur Hysterese
abhängt.
Bei optimaler Dimensionierung erfolgt die Phasenumwandlung an allen Punkten
des Rohres gleichzeitig.
Kennzeichnend für eine erfindungsgemäße Vorrichtung
auf Basis des Shape-Memory-Effektes (SME) ist, dass ein oder mehrere
Rohre (1) aus Formgedächtnis-Metall
so miteinander verbunden werden, dass ein Wärmeträgermedium (2) alternierend
hin und her geleitet werden kann, wobei zwischen den Rohrenden eine
möglichst
konstante Temperaturdifferenz aufrecht erhalten wird. Dies kann z.B.
mit Latentwärmespeichern
(5) in den Vorratsbehältern
auf der warmen und kalten Seite erzielt werden. Auch Grundwasser
hat eine weitgehend konstante Temperatur.
Dieses Rohr (1) besteht
aus ein oder mehreren aneinander gereihten Teilsegmenten (1a bis 1f) aus
Metall-Legierungen mit Shape-Memory-Effekt (SME), z.B. Nitinol,
die aufgrund verschiedener Zusammensetzung oder Wärmebehandlung über die Länge abgestuft
unterschiedliche Schalt-Temperaturen
für die
Phasenumwandlung zwischen austenitischem und martensitischem Metallgefüge aufweisen. Diese
Schalttemperaturen liegen innerhalb des Temperaturbereiches zwischen
warmer und kalter Rohrseite, wobei möglichst fein abgestuft die
Legierungen mit höherer
Transformationstemperatur auf der warmen Seite und die mit der niedrigeren
Transformationstemperatur auf der kalten Seite angeordnet sind. (Siehe
Diagramm 3)
Auf dem alternierenden Weg des Wärmeträgermediums
(2) durch das Rohr (1) findet eine Wärmerückgewinnung
des im SME-Metall gespeicherten Restwärmebetrages statt, der nicht
durch die Phasenumwandlung als mechanische Energie dem System entnommen
werden konnte.
Eine möglichst gleichzeitige Transformation auf
der gesamten Länge
in allen Teilsegmenten (1a bis 1f) dieses Rohres
(1) erhöht
die Schaltfrequenz ohne Erhöhung
des Energieverbrauchs und verringert den erforderlichen Volumenstrom
des Wärmeträgermediums
(2).
Auch je dünnwandiger das Rohr (1),
desto höhere
Schaltfrequenzen bzw. geringere Volumenströme des Wärmeträgermediums sind möglich, desto
geringer wird jedoch auch die übertragbare
Kraft (Tragfähigkeit).
Durch Entnahme von mechanischer Arbeit tritt
im Rohr (1) ein gewisser Kühleffekt auf. Der statische
Wärmefluss
im Rohr (1) (der bei nicht bewegtem Wärmeträgermedium (2) durch
die Wärmeleitfähigkeit
des Rohres (1) bzw. des Wärmeträgermediums (2) entsteht)
bewirkt ein Nachführen
entnommener Energie. Dies kann man durch unterschiedliche Durchflussmengen
zwischen warmer und kalter Seite steuern, indem ein Teilstrom über ein
regelbares Drosselventil (3) von der Kaltseite zur Warmseite
außerhalb
des Rohres (1) zurückgeführt und
in Druckspeichern (7) zwischengespeichert wird.
Eine äußere Wärmeisolation (4) verringert Verluste
des Systems durch Abstrahlung und Konvektion.
Eine potentielle Problemquelle liegt
in der Dauerfestigkeit des SME-Rohrwerkstoffes (1). Wenn die
Phasentransformation nicht über
die gesamte Rohrlänge
in allen Segmenten (1a–1f)
genau gleichzeitig erfolgt (Toleranzen bei Umschalttemperatur, Werkstoffzusammensetzung,
Wandstärke),
was in der Praxis der Regelfall sein dürfte, besteht die Gefahr, dass
Stellen, bei denen die Gefügeumwandlung etwas
später
einsetzt als an anderen Stellen, lokal überdehnt werden und Materialermüdung (Bruch) eintritt.
Dies kann dadurch vermieden werden,
dass man für
jedes Rohrsegment, insbesondere mindestens für gefährdete Abschnitte, eine mechanische Begrenzung
des Verformungsweges der SME-Rohrsegmente
(1a bis f) derart vorsieht, dass Längendehnung
wie auch Torsionsdehnungen auf das den jeweiligen SME-Rohrsegmenten
(1a bis f) dauerhaft zuträgliche Maß begrenzt werden. Unterschiede
der Federkonstante der SME-Rohrsegmente (1a bis f), Transformationskraft
und Plateau-Stress, die z.B. durch Toleranzen in der Wandstärke der
verschiedenen Segmente (1a bis f) entstehen können, sind über den
jeweiligen Rohrsegmenten (1a bis f) parallel geschaltete,
justierbare Spannelemente (wie Federn, Ausgleichmassen und Wegbegrenzer)
ausgleichbar. Es wird eine Vorspannung eingestellt.
Die Temperaturen der warmen und kalten Seite
werden möglichst
konstant gehalten. Als Latentwärmespeicher
(5) sind je nach Temperaturbereich z.B. Ba(OH)2 (Schmelztemperatur
bei 78°C) oder
Mg(NO3)2·6H2O (89°C)
oder auch Zuckeralkohole wie Erythriol (119°C) und D-Mannitol (~ 165°C) gut geeignet
(Warmseite), während
auf der Kaltseite die konstante Grundwassertemperatur genutzt wird, oder
auch Eiswasser (0°C),
Na2SO4 (32°C) bzw. geeigneten
Mischungen z.B. mit eutektischen Salzlösungen.
Eine Reihenschaltung des Kraftflusses
für die
Rohrsegmente (1a bis 1f), wie in 1 dargestellt, dient z.B. zur Ausführung von
Wasserpumpen (Brunnen), die mit Solarstrahlung oder Abwärme aus Kühl- oder Verbrennungsprozessen
angetrieben werden.
Auch eine Parallelschaltung des Kraftflusses bei
weiterhin Reihenschaltung des Wärmeträgermediums
für die
einzelnen Rohrsegmente ist möglich, um
das Kraft-Weg-Verhältnis
zu ändern.
Ein solches Rohr (1) kann innen auch über parallel gespannte Drähte, Kapillarröhren oder
Spiralen (Schraubenfedern) aus Nitinol verfügen, sofern diese über die
gleichen gradientenartig abgestuften Temperaturschaltpunkte wie
das Teilsegment (1a bis f) verfügen, in dem
sie montiert sind. Die Wandstärken
dieser Einbauelemente sollten dann etwa die des Rohres (1) aufweisen,
um lokale Überdehnungen
zu vermeiden.
Zwischen Erregerschwingung Wärmeübertragungsmedium
(2) und Nutzarbeitsschwingung des Rohres (1) wird
ein zeitlicher Phasenverzug eingestellt. Dies kann vorzugsweise
mit einem auf Resonanzfrequenz schwingendem Masse-Feder-System (6)
erfolgen.
Dieses Masse-Feder-System ist mit
weiteren thermodynamischen Prozessen, z.B. einem Stirlingmotor,
kombinierbar bzw. substituierbar. Dabei kann auf der Kaltseite sogar
eine Temperaturabsenkung bzw. eine Aufspreizung der Betriebstemperatur
(beide Seiten) erreicht werden (Prinzip Wärmepumpe).
Da die Kraft mit zunehmender Wegstrecke bei
der SME-Umwandlung abnimmt und der Kraftbedarf beim Pumpen jedoch
konstant bzw. genau umgekehrt ist, lässt sich die Ausbeute z.B.
mit einer Knickfeder-Mechanik oder mit Schwungmassen, verbessern.
Der Magneto-Calorische Effekt (MCE)
ist für die
Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens noch
besser geeignet als der SME, da Werkstoffe verfügbar sind, bei denen die Phasenumwandlung vom
ferromagnetischen zum paramagnetischen Zustand bei der Curietemperatur
mit geringerer Hysterese abläuft.
Es reichen daher Temperaturwechsel schon um 1 K aus, um deutliche
magnetischen Flusswechseländerungen
zu erzielen. Pro Zyklus ist die dabei entnehmbare Energie vergleichsweise
gering, dies kann jedoch durch eine Steigerung der Zyklusfrequenz
bei gutem Wärmefluss
bis in den kHz-Bereich hinein kompensiert werden, was wiederum auch
den magnetischen Wirkungsgrad bei der Induktion von Elektroenergie
in Spulen verbessert.
Es werden dünne Schichten in der Achse des
Wärmeflusses
aus geringfügig
unterschiedlichen ferromagnetischen Metalllegierungen übereinander gestapelt.
Dieser Schichtblock wird alternierend einem Magnetfeld ausgesetzt.
Vorzugsweise wird der Schichtblock eng mit einem Spulensystem verbunden
und/oder alternierend in den magnetischen Einflussbereich eines
starken Permanentmagneten gebracht.
Das Metall Gadolinium hat eine hohe
ferromagnetische Sättigungsmagnetisierung
und eine Curietemperatur von 292,8K (17°C). Gadolinium, legiert mit
einigen Halbleiterelementen wie Si und Ge, kann den magneto-calorischen
Effekt sogar noch verstärken,
d.h. die Entropieänderung
im Bereich der Curietemperatur ist im Vergleich zu reinem Gadolinium
höher,
was sich in viel stärkeren
Magnetmoment-Änderungen
bei den Temperaturwechseln bemerkbar macht. Mit dem Verhältnis Si/
Ge kann die Curietemperatur gut eingestellt werden, von 180 K bis
zu 340 K. Weitere geeignete Materialien sind Mangan-Eisen-Legierungen
mit Anteilen von Arsen und Phosphor. Mit dem Verhältnis As/P
kann auch hier die Curietemperatur zwischen –70°C und +80°C variiert werden. Auch NiMn- und Mn2Sn-Legierungen
können
auf Curietemperaturen in diesem Bereich eingestellt werden. Mit
Mangan gibt es viele ferromagnetische Legierungen mit Curietemperaturen
im Temperaturbereich 0–150°C. Eisen
hat 1043 K Curietemperatur. Nickel-Kupfer-Legierungen (Monel) sind
je nach Zusammensetzung bis 25 °C
und 100 °C
magnetisch. Gadolinium-Eisen-Nanocomposite, auch mit Mangan, sind
vielversprechend.
Will man beispielsweise einen Wandler
im Temperaturbereich zwischen 80°C
und 20°C
betreiben, ordnet man z.B. 58 Schichten gleicher Dicke übereinander
an. Die der kalten Seite zugewandte äußere Schicht hat eine Curietemperatur
von 21°C bestehen.
Die nächste
Schicht mit geringfügigen
Legierungsänderungen
hat eine Curietemperatur von 22°C,
die dritte Schicht 23°C
usw., die 58 Schicht hat eine Curietemperatur von 79°C.
Diese Schichten können vorzugsweise Composite
mit Granulaten bzw. Pulvern sein (Nanocomposite), geformt zu einem
Rohr, Kapillarrohr-Bündeln,
Ringankern, Trafoblechen, Wärmetauscherplatten
oder Tragkonstruktionen (wie Motorengehäuse oder Zylinderköpfe), Drahtgewebe-Wickel,
offenporige Metallschaum-Platten oder auch z.B. durch Tauch-, Sputter-
oder auch Wickelprozesse (unter Anwendung von dynamischen Dotierverfahren)
hergestellt werden, wobei die jeweilige Legierungszusammensetzung
in jeder Schicht exakt auf den gewünschten Curiepunkt eingestellt
wird.
Die Schichten sollten eine gewisse
Durchlässigkeit
für ein
gasförmiges
oder flüssiges
Wärmeübertragungsmedium
aufweisen.
So können diese ferromagnetischen MCE-Legierungen
gradientenartig über
die Länge
zu dünnen
Kapillarröhrchen
gezogen und mit weiteren funktionalen Schichten (Katalysatoren,
Leit-, Isolationsschichten) oder thermoionisch wirksamen Dünnschichtsystemen)
versehen werden, welche anschließend zu einer Spule in Form
eines Verdichterkolbens gewickelt werden, so dass die Legierungszusammensetzung
mit höherem
Curiepunkt auf der warmen und die mit niedrigem Curiepunkt auf der
kalten Seite angeordnet ist, innerhalb der Kapillaren jedoch das
Wärmeträgermedium
alternierend bewegt werden kann.
Durch elektrische Beschattung eines Schwingkreises,
bei dem mit Hilfe der Spulen durch Induktion ein schneller Magnetfeldwechsel
synchron zur alternierenden Bewegung des Wärmeträger-Fluids innerhalb der Schichten
um ca. 1 K um den Curiepunkt herum erzeugt wird, kann proportional
zum verfügbaren
Wärmefluss
die Energieausbeute und auch Frequenz der Umschaltprozesse gesteigert
werden, je nach Schichtdicke, Wärmetauscheroberfläche und Viskosität des Fluids
bis in den kHz-Bereich
hinein. Es sollte eine Resonanzschwingung angestrebt werden, hierbei
sind die Verluste am geringsten. Ein geringer Anteil der Energie
wird zur Erregung des Schwingkreises und zur Kompensation der darin
auftretenden Verluste benötigt.
Die abgeführte
magnetische Energie entspricht weitgehend dem nachgeführten Wärmefluss.
Die dabei auftretenden Thermalisierungsverluste,
z.B. durch Wirbelströme
und Dämpfungsverluste,
bleiben innerhalb des Schichtsystems in Form einer Wärmerückgewinnung
erhalten, so dass diese Wärme
nur für
die Außenschichten
ins Gewicht fällt, allerdings
dabei auftretende Magnetmomente störend wirken können. Elektrisch
isolierend vergossene Nanopartikel bieten hier ggf. Abhilfe.
Es ist zu verzeichnen, dass sich
bei einem erfindungsgemäßen Schichtsystem
die Kaltseite bei Energieentnahme nur sehr wenig erwärmt, während die
Warmseite genauso gekühlt
wird, wie bei einem herkömmlichen
Wärmetauscher-Kühler, d.h.
begrenzt durch die Wärmeleitfähigkeiten
und Wärmeübergänge am und
im Schichtstapel. Der weitaus größte Teil
des Wärmeflusses
wird im Schichtstapel „verbraucht", d.h. über Magnetflusswechsel
und elektrische Induktion nach außen abgeführt.
Der Schichtaufbau sollte so beschaffen
sein, dass die Curietemperaturen der Außenschichten den Temperaturen
der Warm- bzw. Kaltseite sehr nahe kommen und der Wärmeübergang
mit den Außenschichten
durch ein schnell zirkulierendes Wärmeträgermedium geringer Viskosität mit möglichst
hoher Wärmeleitfähigkeit
unterstützt
wird. Das System wird dadurch optimiert, dass die Temperaturen auf
der Warm- und Kaltseite möglichst
immer konstant gehalten werden, abgestimmt auf die Curietemperaturen
der Außenschichten.
Dies kann durch Latentwärmespeicher
erfolgen. Durch geeignete Bemessung von Schichtdicken, Curiepunktabstufung,
Erregungsfrequenz (Resonanz), optimalen magnetischen und Wärmefluss
kann eine weitere Optimierung erfolgen. Die Nachführung der
Energie zu den Mittelschichten kann durch geeignete Kanalstrukturen
und ein Wärmetauschermedium
verbessert werden.
Ein erfindungsgemäßer magneto-calorischer Energiewandler
mit hohem Wirkungsgrad ähnlich
eines Scheibenläufer-Synchronmotors
ist in 2 dargestellt.
Grundsätzlich
lassen sich verschiedene wärme-angetriebene
elektrische Maschinen ausführen, wie
Drehstromgeneratoren und -motoren, Linearantriebe, Nebenschlußmaschinen
und auch Reluktanzmaschinen.
Kern des MCE-Wandlers ist ein Stapel
dünner
Schichten aus weichmagnetischen Legierungen mit hoher ferromagnetischer
Sättigungsmagnetisierung,
möglichst
hoher spontaner Aufmagnetisierung und jeweils geringfügig abgestufter
Curietemperatur, z.B. auf der Basis von Gadolinium mit variablen Si+Ge-Anteilen
und/oder Eisen-Mangan mit variablen P+As-Anteilen, wobei der Wärmefluss
durch diese Schichten erfolgt und die Schichten mit der höheren Curietemperatur
auf der warmen Seite, die mit der niedrigeren Curietemperatur auf
der kalten Seite angeordnet sind. Dies ist in 4 dargestellt.
Im Ausführungsbeispiel auf 2 bildet das erfindungsgemäße MCE-Schichtsystem
(1a-1z) in Form eines offenporigen feinen Metallschaums
einen Displacer-Kolben, der über
eine Kurbelwelle (12) bewegt wird und durch den das Wärmeträgerfluid
(z.B. Wasser) zwischen der Kaltseite (2) und der Warmseite
(5) alternierend hin und her strömt. Sind die Poren des Displacerkolbens
mit dem Wasser der Kaltseite gefüllt
(2), liegt dessen Metalllegierung (1a-1z) in ferromagnetischer
Form leicht unterhalb der Curietemperatur vor. Der mit der Kurbelwelle
(12) verbundene Scheibenläufer ist mit starken Permanentmagneten (9)
besetzt. Diese werden von den im ferromagnetischen Zustand befindlichen
Schichtsystem (1a-1z) angezogen und ermöglichen eine Beschleunigungsarbeit
(Drehmoment) an der Kurbelwelle (12). Zum Beispiel erreicht
ein NdFeB-Permanentmagnet mit ⌀32mm × 7mm immerhin
bis zu 350 N Hubkraft, wenngleich allerdings das Schichtsystem (1a-1z) nahe
der Curietemperatur nur deutlich geringere Magnetmomente ermöglicht.
Gleichzeitig wird durch die Bewegung der Kurbelwelle jedoch der
Displacerkolben in Richtung Warmseite gepreßt. Warmes Wasser strömt in die
Poren und drückt
die Wassersäule
in Richtung Kaltseite, wodurch die Curietemperatur in den Schichten
möglichst
schlagartig überschritten wird
und das Schichtsystem (1a-1z)
sein Magnetmoment verliert. Nun können die Permanentmagneten (9)
durch den Schwung des Scheibenläufer-Rotors (13)
sich von dem Schichtsystem wieder leicht entfernen. Die Anziehungskraft
war größer als
die Losreiß-Kraft.
Auf dem Umfang eines solchen Scheibenläufersynchronmotors sind mehrere
solche Schichtblöcke
(1a-1z) angeordnet, so dass die Magneten (9) nun
vom nächsten
Schichtblock angezogen werden und so eine kontinuierliche Drehbewegung
entsteht.
Die Schichten (1a-1z) sind
porös gestaltet. Neben
offenporigen übereinander
gestapelten Metallschaumplatten können sie auch als strömungsdurchlässige Drahtgewebe-Wickel,
eng gepresste Drahtgeflechte oder mit Kapillarbohrungen versehenen
dünnen,
perforierten Blechen ausgeführt
sein.
Drahtgewebe-Wickel könnten hier
Vorteile bei der Herstellung bieten, z.B. eine Gewebegrundform ähnlich eines
feinen Maschendrahtzauns mit benachbarten Einzeldrähten, die
sich jeweils geringfügig
in ihrer Curietemperatur unterscheiden. Drahtgewebe-Konstuktionen
bieten gegenüber
Metallschaum den Vorteil, dass die magnetische Flußdichte
im MCE-Werkstoff höher
werden kann, da die Drähte
besser am von Außen
anliegenden Magnetfeld ausgerichtet werden können, eine sehr gleichmäßige Metallstrukturen-Stärke (Drahtdurchmesser) eingestellt
werden kann und zudem die Drahtoberfläche vor dem Verweben besser
mit funktionalen Schichten zum Korrosionsschutz, Wärmeübergang oder
sogar zu themionischen Nutzung des Wärmeflusses aufgebracht werden
können.
Eine Ionenimplantation auf den Metalloberflächen kann den Wärmeübergang
verbessern.
Die Dimensionierung der Strömungsdurchlässigkeit
ist so bemessen, dass pro Takt eine lokale Erwärmung in jedem Punkt des Schichtstapels (1a-1z)
um wenige Kelvin erzielt wird, so dass die Curietemperatur in jedem
Punkt jeweils gerade über- und
unterschritten wird. Auch durch den bei Annäherung zunehmenden Einfluss
des Magnetfeldes (9) kommt es in den Schichten zu einer
Temperaturerhöhung
(ohne Wasser um bis zu 20 K), die durch ausreichend „Umgebungswasser" sehr schnell aus
dem Metall abgeleitet werden soll.
Die Anziehungskraft des Magneten
(9) auf die ferromagnetischen Schichten (1a-1z)
ist vom Werkstoffvolumen (sowohl des Permanentmagneten als auch
des ferromagnetischen Materials) abhängig. Wegen der relativ langsamen
Wärmeausbreitungsgeschwindigkeit
(begrenzte Wärmeleitfähigkeit)
ist damit klar, dass der Vorgang mit vielen dünnen Schichten mit gradientenartig
eng abgestuftem Curiepunkt besser funktioniert als mit nur einer
oder wenigen dicken Schichten.
Sind sehr viele Schichten zur Abdeckung
eines weiten Temperaturbereiches vorhanden oder ist der Druckabfall
in den Schichten im Verhältnis
zu deren Temperaturleitfähigkeit
jedoch zu hoch, bekommt die Nachführung der im Schichtstapel
(1a-1z) „verbrauchten" Nutzenergie über ein
Wärmeträgermedium
(Flüssigkeit
oder Gas) und entsprechende Kanäle
zu den inneren Schichten zunehmende Bedeutung, da sonst die inneren,
kalten Schichten in dem gleichen Zeitintervall wie die Außenschicht
auf der Warmseite (1a) nicht mehr die Transformationstemperatur
erreichen, bzw. ein störender
zeitlicher Verzug eintritt.
Ein kleiner Teilstrom des Wärmeträgerfluids (z.B.
Wasser) wird daher über
ein Drosselventil (3) von der Kaltseite zur Warmseite von
außen
zurückgeführt. Über das
regelbare Drosselventil (3) kann das Nachführen von
Wärmeenergie
justiert werden (entsprechend Nutzenergieentnahme). Im vorliegenden
Beispiel wird die auf der Kaltseite abzuführende Restwärme Q2 über eine
Dosierpumpe (11) durch den Wärmetauscher gepumpt, während der
Teilstrom zur Rückführung auf
die Warmseite vorher mit der Mischtemperatur abgetrennt wird, um über den
Wärmetauscher
(5) wieder neue Wärme
(Q1) aufzunehmen.
Das Wärmeträgerfluid ist vorzugsweise eine nicht-reaktive
Flüssigkeit
oder auch ein Gas mit hoher Wärmespeicherkapazität, Wärmeleitfähigkeit
und geringer Viskosität,
z.B. Wasser oder Helium. Letzteres kann auch vorkomprimiert sein.
Wird ein Gas verwendet, ist das erfindungsgemäße Verfahren auch mit dem Stirling-Prozess
koppelbar. Auch kann es mit Stoffen gemischt sein, deren Taupunkt
beim eingestellten Vorkompressionsdruck innerhalb des Betriebstemperaturbereiches
liegt, z.B. Kältemittel (Rankine
bzw. Kalina-Prozess). Zwar erhöht
sich die Leistungsdichte bezüglich
des Hubraums, ein schneller Temperaturwechsel in den Schichten (1a-1z)
wird jedoch gedämpft.
Vorteilhaft lässt
sich dies jedoch zur Reduzierung der Schichtanzahl nutzen, bzw.
die Schichtdicke einer bestimmten Curietemperatur (Taupunkt) zu
vergrößern. Über den
Teilstrom wird dann vorzugsweise flüssiges Kondensat auf die Warmseite
zurück
geführt
und dort während des Arbeitstaktes
verdampft. Über
den Vorkompressionsdruck kann der Arbeitspunkt der Vorrichtung justiert
werden. Korrosion und Kavitation im Schichtsystem muß jedoch
dabei verhindert werden.
Durch Verwendung von Latentwärmespeicher-Materialien
und den Wärmetauschern
(5) wird ein konstanter Wärmefluss und gleichbleibender
Betriebszustand (z.B. konstante Drehzahl) eingestellt.
Eine weitere Ausführungsform für einen
magneto-calorischen Energiewandler ist in 3 dargestellt. Hier ist das erfindungsgemäße Schichtsystem (1a-1z)
von einer Spule umwickelt und im vorliegenden Beispiel jeweils paarweise
in einem Magnetfeld (9) fest angeordnet. Das Wärmeträgermedium
wird über
einen extern angetriebenen Kurbeltrieb (12) mit Kolben
wechselseitig zwischen den beiden Schichten-Blöcken hin und her bewegt, so
dass jeweils ein Schichtblock ferromagnetisch und zur gleichen Zeit der
andere Schichtblock paramagnetisch wird. Der magnetische Fluß des Dauermagneten
(9) wechselt daher zwischen beiden Schichtblöcken. Die
magnetischen Feldänderungen
bewirken eine elektrische Induktion in den Spulen (8). Über einen
elektrischen Schwingkreis mit Kondensatoren (14) wird die
elektrische Lastentnahme optimiert (möglichst Resonanzfrequenz).
Die Nachführung
des Teilstroms des Wärmeträgermediums
erfolgt in dem Beispiel über
Dosierpumpen (11). Diese erfüllen die gleiche Funktion wie
das Drosselventil (3) in 1 und 2.
Zwischen den Schichten (1a-1z)
können auch
weitere sehr dünne
Schichten aus elektrisch isolierendem Material oder aus Leiterschleifen
angeordnet sein. Die dünnen
Metallschichten (1a-1z) können gleichzeitig die elektrische
Funktion eines Plattenkondensators übernehmen und die Induktion
von Wirbelströmen
kann dabei gezielt reduziert und auf die Schichtebenen begrenzt
werden. Die Wärmeleitfähigkeit
der elektrisch isolierenden Schicht und die Oberfläche dieser
Grenzschicht (Mikrorauhigkeit/Porosität) sollten jedoch möglichst
hoch sein. Die Schichtdicke für
diese Isolation liegt vorzugsweise im Nanometer-Bereich.
Stehen auf der Warmseite heiße Gase
zur Verfügung,
wie es beim Einsatz des erfindungsgemäßen Schichtsystems in Verbrennungs- (z.B. Otto-, Dieselmotor)
oder hochverdichtenden Stirlingmotoren der Fall ist, kann die Außenschicht
des erfindungsgemäßen Schichtsystems
auf der Warmseite vorzugsweise mit einem thermoionisch aktiven dünnen Schichtsystem
ausgestattet werden. Neben einer Korrosionsschutzfunktion (z.B.
für Gadolinium-Legierungen
bei Wasserdampfanwesenheit erforderlich) kann mit solchen wenige
Mikro- bzw. Nanometer dünnen
Schichten mit der Funktion einer „Thermodiode" aus den kurzzeitig
hohen Temperaturunterschieden des Gases zum Metall direkt elektrischer
Strom mit bis zu 20% Wirkungsgrad gewonnen werden.
In Verbrennungsmotoren kann ein mit
Katalysator beschichtetes erfindungsgemäßes Schichtsystem (1a-1z)
bei jedem Gaseinlaß und
-auslaß alternierend
durchströmt
die Wärmeverluste über das Abgas
zum Einen erheblich reduzieren, zum Anderen, insbesondere in Kombination
mit dem Stirling-Prinzip
aus der Abwärme
noch Nutzenergie gewinnen und damit den Gesamtwirkungsgrad deutlich verbessern.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens
bestehen darin, dass der maximal mögliche Wirkungsgrad nicht die
Beschränkungen
von Gas-Kreisprozessen aufweist und Vorrichtungen mit hoher Energieausbeute
und geringen Baugrößen möglich werden.
Das Verfahren verspricht erstmals die Möglichkeit, Energiequellen wie
warmes Wasser zur wirtschaftlichen Erzeugung von Strom oder Motorkraft
zu nutzen, indem der Energiegehalt des Arbeitsmediums (Metall statt
Gas) und der Wärmeübergang (Wasser – Metall
statt Metall – Gas)
für einen
hohen Wärmefluß gegenüber klassischen
Kreisprozessen mit Gasen erheblich gesteigert werden. Damit lassen sich
die Baugrößen auch
bei relativ geringen Temperaturunterschieden um einen Faktor von
bis zu 3000 senken, im Vergleich mit der Energieausbeute z.B. eines
Niedertemperatur-Stirlingmotors. Die Erwärmung der kalten Seite kann
weitgehend unterdrückt werden.
Diese Carnot-typischen Wärmeverluste
beschränken
sich im wesentlichen auf die werkstoffspezifische Temperaturspanne
der Hysterese des erfindungsgemäßen Schichtsystems.
Der mechanische Wirkungsgrad steigt demzufolge, je geringer die
Hysterese-Temperaturdifferenz im Verhaltnis zur Gesamt-Temperaturdifferenz
ist (ein lineares Gradientenrohr bzw. Schichtsystem vorausgesetzt,
dessen Bereich der Umwandlungstemperaturen den gesamten Temperaturbereich
abdeckt.)
Ein erfindungsgemäßer Energiewandler kann Solarenergie
(Wärme)
und Abwärme
aus Kühlprozessen
mit bereits geringen Temperaturunterschieden zur Umgebung in mechanische
Energie transformieren. Er kann außerdem vorteilhaft kombiniert
werden mit herkömmlichen
thermodynamischen Prozessen, z.B. eingesetzt als Wärmetauscher
mit Katalysatorfunktion in Verbrennungsmotoren, in Wärmepumpen
oder in Schichten-Wärmespeichern
oder auch in Chemieanlagen.
Das Verfahren ist skalierbar. Neben
dem Einsatz in Kraftwerksanlagen, Müllverbrennungsanlagen, Solar-
und Geothermieanlagen eignet sich das Verfahren u.a. auch in miniaturisierter
Form z.B. als Chip-KÜhler
zur Stromgewinnung aus der Abwärme von
Elektronikbauteilen. Damit kann z.B. die Akkulaufzeit von Notebooks
verlängert
werden.
Die Erfindung unterscheidet sich
von bisher bekannten Verfahren zur Wärme-Kraft-Umwandlung durch
einen höheren
Wirkungsgrad bei optimaler Materialausnutzung durch Nutzung eines
Phasenumwandlungsprozesses mit Änderung
der Entropie ohne Änderung
des Aggregatzustandes. Durch einen gradientenartigen Verlauf der
Phasenumwandlungstemperatur entlang der Achse des statischen Wärmeflusses
reicht eine mit wenig Energie erzeugte thermische Schwingung des
Wärmeflusses
mit einem Temperaturunterschied im Bereich der Hysterese der Phasenumwandlung
aus, um die Phasenumwandlung im gesamten Material nahezu gleichzeitig vornehmen
zu können.
Die Energie, die nicht in Nutzenergie umgewandelt werden kann, verbleibt
durch Wärmerückgewinnung
weitgehend im System und muss nicht als Carnot-Verlust abgeführt werden,
wie bei anderen thermodynamischen Prozessen.
Das Verfahren eignet sich zur Effizienzsteigerung
in einem fest vorgegebenen Temperaturbereich. Bei Überschreitung
oder Verschiebung des Temperaturbereiches kommt es wieder zu einer
Wirkungsgradverschlechterung (Latentwärme-Verluste wirken sich mehr
aus), im Gegensatz zu anderen thermodynamischen Prozessen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung
auf Basis des SME (Formgedächtnis-Metall-Effekt)
unterscheidet sich von anderen Nitinol-Kraftmaschinen dadurch, dass
sie aus aneinandergereihten Rohrsegmenten aus geringfügig verschiedenen
SME-Metalllegierungen besteht, deren Teilsegmente mit höherer Transformationstemperatur
auf der warmen Seite und die mit der niedrigeren Transformationstemperatur
auf der kalten Seite angeordnet sind und ein Wärmeträgermedium alternierend zwischen
der warmen und der kalten Seite hin und her geführt wird. Ein regulierbarer
Teilstrom des Wärmeträgermediums
wird von der Kaltseite zur Warmseite außerhalb des Nitinol-Rohres zurückgeführt.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung
auf Basis des MCE (magneto-calorischer Effekt) unterscheidet sich
von anderen magneto-calorischen Generatoren dadurch, dass mehrere
Schichten aus geringfügig
verschiedenen ferromagnetischer Metalllegierungen in Richtung des
Wärmeflusses übereinander
gestapelt sind, deren Teilsegmente mit höherer Curietemperatur auf der
warmen Seite und die mit der niedrigeren Curietemperatur auf der
kalten Seite angeordnet sind. Dieser Schichtstapel wird alternierend
geringfügig
erwarmt und abgekühlt,
wobei zudem ein statischer Wärmefluss
zwischen kalter und warmer Seite aufrecht erhalten wird, um Wärme ins Innere
der Schichten bzw. von der warmen zur kalten Seite nachzuführen. Durch
Aufmagnetisieren bei Unterschreitung der Curietemperatur hervorgerufene magnetische
Flusswechsel werden zur Entnahme von elektrischer Energie durch
Induktion genutzt. Zur gleichmäßigeren
Nachführung
der Wärme
innerhalb der Schichten können
diese porös
oder mit Kanälen durchzogen
ausgeführt
werden, um ein Wärmeträgermedium
alternierend zwischen der warmen und der kalten Seite hin und her
zu führen.
Ein regulierbarer Teilstrom des Wärmeträgermediums wird dann von der
Kaltseite zur Warmseite außerhalb
des MCE-Schichtstapels zurückgeführt.
