DE1957174A1 - Method and device for converting thermal energy into mechanical energy - Google Patents

Method and device for converting thermal energy into mechanical energy

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DE1957174A1
DE1957174A1 DE19691957174 DE1957174A DE1957174A1 DE 1957174 A1 DE1957174 A1 DE 1957174A1 DE 19691957174 DE19691957174 DE 19691957174 DE 1957174 A DE1957174 A DE 1957174A DE 1957174 A1 DE1957174 A1 DE 1957174A1
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DE19691957174
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Rao Venkataramanayya Kuppa
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    • F02C1/00Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid
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    • F02C1/10Closed cycles
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Description

DR. MÜLLER - BORE DIPL.-ING. GRALFS DIPL.-PHYS. DR. MANITZ DIPL.-CHEM. DR. DEUFELDR. MÜLLER - BORE DIPL.-ING. GRALFS DIPL.-PHYS. DR. MANITZ DIPL.-CHEM. DR. DEUFEL

PATENTANWÄLTEPATENT LAWYERS

Hünchen, den 1 3. NGV. 1969Hünchen, the 1 3rd NGV. 1969

Hl/th - Δ 2050Hl / th - Δ 2050

Atomic Anergy of Canada Limited Ottawa, Ontario, KanadaAtomic Anergy of Canada Limited Ottawa, Ontario, Canada

Verfahren und Vorrichtung zur Umwandlung thermischer in· mechanische EnergieMethod and device for converting thermal energy into mechanical energy

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für eine Umwandlung von thermischer in mechanische Energie. Sie Anwendung der Erfindung erfolgt insbesondere, aber nicht ausschließlich, bei der Nutzung von Wärme bei einer nicht relativ hohen Temperatur.The invention relates to a method and a device for converting thermal energy into mechanical energy. The invention is applied in particular, but not exclusively, to the use of heat in the case of a not relatively high temperature.

Der Anmeldungsgegenstand ergab sich aus der Notwendigkeit, eine kleine Wärmekraftmaschine zu schaffen, die thermische Energie, welche von dem Zerfall einer Radioisotopen-QuelleThe subject of the application arose from the need to create a small heat engine, the thermal one Energy resulting from the decay of a radioisotope source

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hergeleitet ist, in mechanische und elektrische Energie umwandelt. Ein solches Erfordernis wurde in der Erwartung angeregt, daß bestimmte Navigationshilfsmittel, d. h. Lampen, Nebeldetektoren, Nebelsignale, Funkfeuer und dergl., für lange Zeitdauern an abgelegenen Orten unbetreut gelassen werden können.is derived, converted into mechanical and electrical energy. Such a requirement was in anticipation suggested that certain navigational aids, i. H. Lamps, fog detectors, fog signals, radio beacons and the like, can be left unattended for long periods in remote locations.

Es wurde, um Betriebszuverlässigkeit, Sicherheit und maximale Nutzung einer relativ teueren Radioisotopen-Quelle zu erreichen, in Betracht gezogen, den minimalen Umwandlungswirkungsgrad bei 20 %, die Ausgangsleistung für eine Ausführungsform in der Größenordnung von 600 W und die maximale Temperatur der zur Verfügung stehenden thermischen Energie ungefähr bei 600° 0 festzusetzen.It was designed to achieve operational reliability, safety and maximum use of a relatively expensive radioisotope source, Considered the minimum conversion efficiency at 20%, the output power for one embodiment of the order of 600 W and the maximum temperature of the available thermal energy approximately at 600 ° 0 to be set.

Unter Beachtung dieser Ziele wurden alle zur Verfügung stehenden Verfahren für eine Energieumwandlung im einzelnen untersucht. Dies ist nachfolgend beschrieben und die Erfindung am Ende als ein besonders vorteilhaftes Verfahren einer Energieumwandlung angegeben. Es ist jedoch festzustellen, daß die Erfindung ganz allgemein anwendbar und nicht nur auf Anwendungen wie die oben angegebenen beschränkt ist.With these goals in mind, all available methods for energy conversion were examined in detail. This is described below and the invention at the end as a particularly advantageous method of energy conversion specified. It should be noted, however, that the invention is generally applicable and not limited to applications is limited as given above.

Es ist ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Umwandlung von thermischer in mechanische Energie in einem kontinuierlichen, geschlossenen Kreisprozeß unter Anwendung eines Arbeitsmediums zu schaffen, welches zu jeder Zeit gasförmig ist.It is an object of the invention to provide a method for converting thermal energy into mechanical energy in a continuous, closed-loop process using a working medium which is gaseous at any time.

In Übereinstimmung mit diesem Ziel umfaßt das Verfahren die Schritte: ein gasförmiges Medium in einem ersten Raum mit einer geringeren mittleren Temperatur und einem geringeren mittleren Druck in einem Kompressionsverhältnis "rw zu kompri mieren, Wärme bei im wesentlichen konstantem Druck demIn accordance with this aim, the method comprises the steps of: compressing a gaseous medium in a first space with a lower mean temperature and a lower mean pressure in a compression ratio "r w , heat at substantially constant pressure dem

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komprimierten Medium zuzuführen, weitere Wärme von einer Quelle dem komprimierten Medium "bei im wesentlichen konstan-T-em Volumen zuzuführen, das Medium in einem zweiten Raum mit einer hohen mittleren Temperatur und einem hohen mittleren Druck in einem Entspannungsverhältnis "E" zu entspannen, wobei "E" größer als "r" ist, eine Wärmemenge im wesentlichen gleich der ersten zugeführten Wärme dem entspannten Gas bei im wesentlichen konstantem Druck zu entziehen, und das Medium bei im wesentlichen konstanten Druck zu kühlen, wobei die durch das Medium während der Entspannung geleistete Arbeit benutzt wird, die für die Kompressionsstufe erforderliche Arbeit und eine mechanische Ausgangsleistung zur Verfügung zu stellen, sowie den Kreisprozeß durch Wiederholung all dieser vorgenannten Stufen fortzusetzen.to supply compressed medium, further heat from a Source the compressed medium "at essentially constant-T-em To add volume to the medium in a second room with a high average temperature and a high average Relaxing pressure in an expansion ratio "E", where "E" is greater than "r", an amount essentially of heat equal to the first heat supplied to withdraw the expanded gas at essentially constant pressure, and the medium to cool at substantially constant pressure, the work being done by the medium during relaxation is used, the work required for the compression stage and a mechanical output power are available as well as to continue the cycle by repeating all of these steps.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, die thermische in mechanische Energie unter Verwendung eines gasförmigen Mediums umwandelt.It is another object of the invention to provide an apparatus that utilizes thermal energy into mechanical energy a gaseous medium.

In Übereinstimmung mit diesem Ziel umfaßt eine erfindungsgemäße Vorrichtung die folgenden Teile: Kompressionseinrichtungen zur Kompression des Arbeitsmediums in einem Verhältnis "r", Wärmetauscher-Ausgangseinrichtungen zur Zuführung von Wärme zu dem komprimierten Medium bei einem konstanten Druck, Einrichtungen zur Zuführung weiterer Wärme bei konstantem Volumen, Entspannungseinrichtungen zur Entspannung des komprimierten und erwärmten Gases in einem Entspannungsverhältnis "E", wobei "R" größer als "r" ist, Einrichtungen zur Verbindung der Entspannungs- und Kompressionseinrichtungen zur Ableitung eines ersten Teils der in den Entspannungs einrichtung en umgewandelten Energie für einen Antrieb dor Kompressionseinriclitungen, Wärmetauscher-Eingangseinrichtungen, die mit den Wärmetauscher-Äusßangscinrichtungen zwecksIn accordance with this aim, a device according to the invention comprises the following parts: Compression devices for compressing the working medium in a ratio "r", heat exchanger outlet devices for supplying heat to the compressed medium at a constant pressure, means for supplying further heat with constant volume, expansion devices for expansion of the compressed and heated gas in an expansion ratio "E", where "R" is greater than "r", means for connecting the relaxation and compression means to derive a first part of the relaxation devices for the converted energy for a drive of the compression devices, heat exchanger input devices, those with the heat exchanger external devices for the purpose of

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eines Entzugs von. Wärme von dem entspannten Gas und eines Zurverfügungsstellen dieser Wärme für das oben erwähnte Erwärmen bei konstantem Druck betriebsmäßig verbunden sind, Kühl einrichtungen zum Entzug weiterer Wärme, Einrichtungen zur Ableitung eines zweiten Teils der in den Entspannungseinrichtungen umgewandelten Energie zu einem mechanischen Ausgang, und Einrichtungen zur jeweiligen aufeinanderfolgenden periodischen Betätigung der oben genannten Einrichtungen.a withdrawal of. Heat from the expanded gas and providing this heat for the heating mentioned above are operationally connected at constant pressure, cooling devices for the extraction of further heat, devices to divert a second part of the energy converted in the expansion devices into mechanical energy Exit, and facilities for each consecutive periodic operation of the above devices.

fc Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung beispielsweise beschrieben; in dieser zeigen:fc The invention is illustrated below with reference to the drawing, for example described; in this show:

Fig. 1 ein Schaltbild eines einfachen, bekannten Gasturbinen-Kraftwerks und den mit Computer berechneten thermischen Wirkungsgrad als eine Funktion des Druckverhältnisses, Fig. 1 is a circuit diagram of a simple, known gas turbine power plant and the computer calculated thermal efficiency as a function of the pressure ratio,

Fig. 2 ein ähnliches Schaltbild wie in Fig. 1, welches als Unterschied eine Wiederaufwärm- und Regenerationseinrichtung in dem Kraftwerk umfaßt,Fig. 2 is a similar circuit diagram as in Fig. 1, which as Difference includes a reheating and regeneration facility in the power plant,

Fig. 3 die Grundkomponenten für den bekannten Rankine-Kreis- w prozeß,Fig. 3 the basic components for the known Rankine cycle w process,

Figuren 4A, 4-B, 4C, Diagramme der Temperatur-Entropie-Figures 4A, 4-B, 4C, diagrams of the temperature-entropy

Charakteristika des Rankine-Kreisprozesses bei Anwendung einer nassen, trockenen bzw. idealen Entspannung,Characteristics of the Rankine cycle when applied a wet, dry or ideal relaxation,

Fig. 5 ein Schaltbild einer Wärmekraftmaschine gemäß der Erfindung bei ihrem Aufwärtshub, ,FIG. 5 is a circuit diagram of a heat engine according to FIG Invention on its upstroke,

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Fig. 6 ein ähnliches Schaltbild wie in Pig. 5, in dem die Maschine bei ihrem Abwärtshub gezeigt ist,6 shows a circuit diagram similar to that in Pig. 5, in which the Machine is shown on its downstroke

Fig. 7 ein Druck-Volumen-Diagramm des idealen thermo dynamischen Wärme-Kreisprozesses gemäß der Erfindung undFig. 7 is a pressure-volume diagram of the ideal thermodynamic Heat cycle according to the invention and

Fig. 8 und 9 Diagramme der mit Computer "berechneten Leistungs-Charakteristika des idealen thermodynamischen Kreisprozesses gemäß Fig. 7 &it Kohlendioxyd "bzw. Luft als Arbeitsmedia.Figures 8 and 9 are graphs of computer ’computed performance characteristics of the ideal thermodynamic cycle according to FIG. 7 & it carbon dioxide "or air as Work media.

Eine Umwandlung von thermischer in elektrische Energie kann, auf zwei Wegen vollzogen werden;A conversion of thermal into electrical energy can, be accomplished in two ways;

1. direkte Umwandlung1. Direct conversion

2. indirekte Umwandlung.2. indirect conversion.

Für eine Anwendung bei Eadioisotopen-Quellen brauchen nur zwei Verfahren der direkten Umwandlung betrachtet zu werden, nämlich die mit (a) thermoelektrischen und (b) thermionischen Umwandlungssystemen. Beide Systeme werden betrieben und befinden sich in einer vielfältigen Entwicklung durch eine Anzahl ziviler und militärischer Organisationen hauptsächlich in den Vereinigten Staaten. Die neueste und umfassendste Nachweisquelle auf diesen Arbeitsgebieten sind die "Proceedings" der "Intersociety Conference on Energy Conversion Engineering" von 1967· Eine Reihe von Energieerzeugungsanlagen, die unter dem SNAP-Programm - Systems for Nuclear Auxiliary Power - gebaut worden sind, wenden das eine oder andere der zwei Energieumwandlungsverfahren an. Der gegenwärtige "Stand der Technik" dieser Anlagen ist in der nachfolgenden Tabelle summarisch dargestellt.For use with Eadioisotope sources only need two methods of direct conversion to be considered, namely those with (a) thermoelectric and (b) thermionic Conversion systems. Both systems are operated and are in diverse development by a number civil and military organizations primarily in the United States. The newest and most comprehensive source of evidence the "Proceedings" of "Intersociety Conference on Energy Conversion Engineering" by 1967 · A series of power generation systems that are under the SNAP program - Systems for Nuclear Auxiliary Power - apply one or the other of two energy conversion processes at. The current "state of the art" of these systems is summarized in the table below shown.

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CharakteristikaCharacteristics

Energie-Umwandlungs-Technik Thermoelektrisch ThermionischEnergy conversion technology Thermoelectric Thermionic

Typische Quellen- und Senken-Temp. STypical source and sink temp. S.

54-0° - 820° 0 (1000° -1500° J] zu 650C (150° K 54-0 ° - 820 ° 0 (1000 ° -1500 ° J] to 65 0 C (150 ° K

1650°C1650 ° C

zu 650°C (12000F)to 650 ° C (1200 0 F)

GesamtwirkungsgradOverall efficiency

8 % - 15 % 8 % - 15 %

BetriebserfahrungOperational experience

Einige Jahre mit wenigen Energieerz eugeranlagen geringer LeistungA few years with a few energy generating systems low power

Begrenzte Laborerfahrung Limited laboratory experience

Vorteileadvantages

keine beweglichen Teile; langer, geräuscharmer Betriebno moving parts; long, quiet operation

keine beweglichen Teile; leicht; geräuscharmno moving parts; easy; low noise

Nachteiledisadvantage

niedriger Wirkungs- hohe Temperatur; grad; hohe Gewichte; schwierige Brennaufwendig; Material- stoff herst ellung Problemelow effective high temperature; Degree; heavy weights; difficult burning; Material production problems

Es ist unwahrscheinlich, daß der Umwandlungs-Wirkungsgrad dieser Anlagen in der nächsten Zukunft in einem ausreichenden Maße im Vergleich zu den oben besprochenen Erfordernissen gesteigert wird. Darüber hinaus würde eine Porschungs- und Entwicklungsarbeit in diesen Bereichen kostspielig und langwierig sein. Aus diesen Gründen können die direkten TJmwandlungssysteme für die vorliegende Anwendung ausgeschlossen werden. It is unlikely that the conversion efficiency of these plants will be sufficient in the near future Degree is increased compared to the requirements discussed above. In addition, a Porsche and development work in these areas can be costly and lengthy. For these reasons, the direct conversion systems excluded for the present application.

Die indirekten Umwandlungs syst eme, welche ebenso dynamische Umwandlungs syst eme genannt werden können, machen GebrauchThe indirect conversion systems, which can also be called dynamic conversion systems, make use

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von einer Wärmekraftmaschine, um thermische in mechanische Leistung umzuwandeln, die nachfolgend leicht in elektrische Leistung umgewandelt wird. Es gibt eine Auswahl "bezüglich des thermo dynamischen Kreisprozesses, mit welchem die Wärmekraftmaschine arbeitet. Die Kreisprozesse der bisher gebauten und der in einer intensiven Entwicklung befindlichen dynamischen Umwandlungs systeme sind folgende:from a heat engine to thermal to mechanical To convert power that is subsequently easily converted into electrical power. There is a choice "re the thermodynamic cycle with which the heat engine works. The cycle processes of the previously built and the dynamic conversion systems under intense development are the following:

(a) Brayton-Kreisprozeß(a) Brayton cycle

(b) Rankine-Kreisprozeß(b) Rankine cycle

(c) Stirling-Kreisprozeß(c) Stirling cycle

Es werden ausschließlich "geschlossene Kreisprozesse" angewendet, da ein Kreisprozeß nur "offen" sein kann, wenn Luft als "Arbeitsmedium" verwendet wird.Only "closed cycle processes" are used, since a cycle can only be "open" if air is used as the "working medium".

Mit diesen Kreisprozessen arbeitende Umwandlungssysteme werden nachfolgend mit besonderem Bezug auf den Anmeldungsgegenstand untersucht·.Conversion systems working with these circular processes become investigated below with particular reference to the subject of the application ·.

Der Brayton-KreisprozeßThe Brayton cycle

Hit diesem Kreisprozeß arbeitet üblicherweise ein Gasturbinen-Kraftwerk. Das Arbeitsmedium ist ein Gas, das während des Kreisprozesses nicht die Phase wechselt. Jedes Gas kann als Arbeitsmedium verwendet werden, da die Leistung des Systems, theoretisch, unabhängig von den Eigenschaften des Arbeitsmediums ist. Es gibt hierbei keine Probleme einer Degradation des Arbeitsmediums aufgrund von hohen Temperaturen oder von Bestrahlung.A gas turbine power plant usually operates after this cycle. The working medium is a gas that does not change phase during the cycle. Any gas can be used as a Working medium can be used because the performance of the system is, theoretically, independent of the properties of the working medium. There are no degradation problems here of the working medium due to high temperatures or radiation.

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Der thermische Wirkungsgrad des Brayton-Kreisprozesses ist von der maximalen Kreisprozeßtemperatrur abhängig und äußerst empfindlich gegenüber einer Komponentenleistungsfähigkeit. Der grundlegende Kreisprozeß muß abgeändert werden, um vernünftige thermische Wirkungsgrade zu erreichen. Die Abänderungen umfassen eine Regeneration und eine Wieder erwärmung.The thermal efficiency of the Brayton cycle is extremely dependent on the maximum cycle temperature sensitive to component performance. The basic circular process needs to be modified to make it reasonable to achieve thermal efficiencies. The changes include regeneration and rewarming.

Eine ins einzelne gehende Analyse des Brayton-Kreisprozesses mit verschiedenen Abänderungen ist mit Hilfe eines Digital-Computers ausgeführt worden. Die Ergebnisse der Analyse sind in den Figuren 1 und 2 dargestellt.A detailed analysis of the Brayton cycle with various modifications is done with the help of a digital computer been executed. The results of the analysis are shown in FIGS.

In Fig. 1 ist die.Leistung des sogenannten OBTX-Kreisprοζesses gezeigt. Ein schematischer Plan eines nach dem CBTX-Kreisprozesses arbeitenden Systems ist darin gezeigt. Das Arbeitsmedium wird in dem Kompressor 0 komprimiert und nach Durchgang durch den Regenerator X in dem Erhitzer B unter Verwendung einer Radioisotopen-Quelle erwärmt. Das Gas expandiert dann durch die Turbine T, die durch den Regenerator Σ ausläßt. Unter der Voraussetzung, daß als Arbeitsmedium Luft verwendet wird, ist ein offener Kreisprozeß gezeigt. Die an der Turbinenwelle über den Leistungsbedarf des Kompressors hinaus zur Verfugung stehende Leistung ist die Nutzleistung.In Fig. 1 is the performance of the so-called OBTX circuit press shown. A schematic plan of one based on the CBTX cycle working system is shown therein. The working medium is compressed in the compressor 0 and after passage heated by the regenerator X in the heater B using a radioisotope source. The gas expands then through the turbine T, which exhausts through the regenerator Σ. Provided that air is used as the working medium an open cycle process is shown. The one on the turbine shaft The power available beyond the power requirement of the compressor is the useful power.

Die folgenden Annahmen wurden bei der Herleitung der in lig. 1 gezeigten Ergebnisse gemacht;The following assumptions were made in deriving the in lig. 1 made results shown;

maximale Kreisprozeßtemperatur » der maximalen !Temperatur an der Isotopen-Quelle - 1570° R (600° 0); Senkentemperatur - 520° Rjmaximum cycle temperature »the maximum! temperature at the isotope source - 1570 ° R (600 ° 0); Sink temperature - 520 ° Rj

isentropischer Wirkungsgrad des Kompressors - 80 %\ isentropischer Wirkungsgrad der Turbine - 85 %\ Wirksamkeit (Wirkungsgrad) des Regenerators - 80 %;isentropic efficiency of the compressor - 80 % \ isentropic efficiency of the turbine - 85 % \ efficiency (efficiency) of the regenerator - 80%;

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Druckverlust durch, den Erhitzer - 2 % des E-ompressor-Abgabedruckes; undPressure loss through the heater - 2 % of the e-compressor delivery pressure; and

Druckverlust durch den Regenerator - 0,07 kg/cm (1 psi).Pressure drop through the regenerator - 0.07 kg / cm (1 psi).

Die Teilwirkungsgrade sind als die oberste Grenze dessen angenommen, was innerhalb des gegenwärtigen'^Standes der !Technik" bei den kleinen Größen, wie sie für die betrachteten Anwendungsfälle in Präge kommen, erwartet werden kann. Ersichtlich tritt der maximale Wert des thermischen Wirkungsgrades von 16,86 % bei einem Druckverhältnis von 2,6 auf. Das ergibt nach einer Multiplikation mit dem Generator-Wirkungsgrad (ungefähr 85 %) und dem mechanischen Wirkungsgrad (ungefähr 90 °/o) einen Gesamt-Umwandlungs-Wirkungsgrad von ungefähr 13 %. The partial efficiencies are assumed to be the uppermost limit of what can be expected within the current state of the art for the small sizes that come into being for the applications under consideration .86% at a pressure ratio of 2.6, which, when multiplied by the generator efficiency (about 85%) and the mechanical efficiency (about 90% ), gives an overall conversion efficiency of about 13 %.

Der Wirkungsgrad kann etwas gesteigert werden durch Anwendung eines komplizierteren Systems, wie in !Fig. 2 gezeigt, welches als CBTRTX-Kreisprozeß bezeichnet ist. Dieser Kreisprozeß schließt sowohl eine Wiedererwärmung als auch eine Regeneration ein. Das Arbeitsmedium wird zu der maximalen Kreisprozeßtemperatur nach einer teilweisen Entspannung durch die Turbine Tx. wiedererwärmt und wieder auf den niedrigstmöglichen Druck durch die Turbine Tp entspannt. Ersichtlich ist diese Anordnung komplizierter als die vorhergehende.The efficiency can be increased somewhat by using a more complicated system, as shown in! Fig. 2, which is referred to as the CBTRTX cycle. This cycle includes both rewarming and regeneration. The working medium is at the maximum cycle temperature after a partial expansion by the turbine T x . reheated and relaxed again to the lowest possible pressure by the turbine Tp. Obviously, this arrangement is more complicated than the previous one.

Die gleichen Annahmen wie für den CBTX-Kreisprozeß wurden bei der Herleitung der Ergebnisse für den in lig. 2 durch die Kurve A gezeigten CBTRTX-Kreisprozeß gemacht. Zusätzlich wurde angenommen, daß die Enthalpy-Abnahmen durch die zwei Turbinen T^ und Tg gleich sind, da gefunden wurde, daß dies die besten Ergebnisse liefert. Ersichtlich tritt der maximale Wirkungsgrad von 26 % bei einem Druckverhältnis von 3 »4· auf.The same assumptions as for the CBTX cycle were made when deriving the results for the in lig. 2 is made of the CBTRTX cycle shown by curve A. In addition, it has been assumed that the enthalpy decreases through the two turbines T ^ and Tg are the same as this has been found to give the best results. The maximum efficiency of 26 % can be seen at a pressure ratio of 3 »4 ·.

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Das ergibt nach Multiplikation mit dem. Generator-Wirkungsgrad (ungefähr 85 %) und dem mechanischen Wirkungsgrad (ungefähr 90 °/o) einen Gesamt-Umwandlungs-Wirkungsgrad von knapp 20 %.That results after multiplication with the. Generator efficiency (about 85%) and the mechanical efficiency (about 90 ° / o) an overall conversion efficiency of nearly 20%.

Der Grund für den niedrigen Wirkungsgrad liegt primär in dem niedrigen Wert der maximalen Kreisprozeßtemperatur 1570° H (600° C), die bei der betrachteten Anwendung vorausgesetzt ist. Dies sollte mit der maximalen Kreisprozeßtemperatur von ungefähr 2400° R verglichen werden, mit der moderne Gasturbinen-Kraftwerke arbeiten.The reason for the low efficiency is primarily the low value of the maximum cycle temperature 1570 ° H (600 ° C), which is assumed for the application in question is. This should be with the maximum cycle temperature of approximately 2400 ° R can be compared with that of modern gas turbine power plants work.

Ein anderer bemerkenswerter Punkt ist die extreme Empfindlichkeit des Brayton-Kreisprozesses gegenüber Teilwirkungsgraden. Das ist durch die Kurve B der Fig. 2 gezeigt, in der die Leistung des CBTßTX-Kreisprozesses mit geringfügig niedrigeren Teilwirkungsgraden dargestellt ist. Die Ergebnisse der Kurve B sind unter den folgenden Annahmen hergeleitet:Another notable point is the extreme sensitivity of the Brayton cycle to partial efficiencies. That is shown by curve B of Fig. 2, in which the performance of the CBTßTX cycle process with slightly lower partial efficiencies is shown. The results of curve B are derived from the following assumptions:

isentropischer Wirkungsgrad des Kompressors = 70 °/o\ isentropischer Wirkungsgrad der Turbinen = 75 %\ Wirksamkeit (Wirkungsgrad) des Regenerators = 75 %i alle anderen Annahmen entsprechen den angeführten.isentropic efficiency of the compressor = 70 % \ isentropic efficiency of the turbines = 75 % \ efficiency (efficiency) of the regenerator = 75% i all other assumptions correspond to those given.

Der maximale Wirkungsgrad von 10,96 % tritt in diesem Falle bei einem Druckverhältnis von 2,6 auf. Diese extreme Empfindlichkeit des Brayton-Kreisprozesses gegenüber einer Teilleistung erfordert eine sehr sorgfältige Anpassung der verschiedenen Systenikomponenten für eine optimale Leistung. Eine lange und sorgfältige Entwicklungsarbeit ist die Folge.The maximum efficiency of 10.96 % occurs in this case at a pressure ratio of 2.6. This extreme sensitivity of the Brayton cycle to partial performance requires very careful adaptation of the various system components for optimal performance. Long and careful development work is the result.

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Der Brayton-Kreisprozeß kann aus diesem Grunde für den betrachteten Anwendungsfall insbesondere im Hinblick auf die Vorteile der nachfolgend besprochenen Kreisprozesse ausgeschlossen werden.For this reason, the Brayton cycle can be used for the application under consideration, in particular with regard to the advantages of the cycle processes discussed below can be excluded.

Der Rankine-KreisprozeßThe Rankine cycle

Der Rankine-Kreisprozeß weist inhärent einen sehr guten Wirkungsgrad auf, da eine Wärmezufuhr und Wärmeabfuhr hauptsächlich bei der höchsten bzw. niedrigsten Kreisprozeßtemperatur erfolgt. Die Grundkomponenten eines Rankine-Systems sind die Turbine, die Speisewasserpumpe, die Wärmequelle und die Wärmesenke oder der Kondensator, die in Fig. 3 gezeigt sind. Das Hauptmerkmal des Systems besteht darin, daß das Arbeitsmedium während des Kreisprozesses einem Phasen-Wechsel unterzogen ist.The Rankine cycle is inherently very efficient because it is mainly a heat supply and heat dissipation takes place at the highest or lowest cycle temperature. The basic components of a Rankine system are the turbine, the feed water pump, the heat source and the heat sink or condenser shown in FIG. 3 are. The main feature of the system is that the working medium changes phases during the cycle is subjected.

Dampf ist fast ausschließlich als Arbeitsmedium in Rankine-Kreisprozeß-Systemen verwendet worden. Unglücklicherweise ist es ganz ungeeignet als Arbeitsmedium in kleinen Einheiten der hier betrachteten Größe. Die Eignung oder Nichteignung eines Fluids als Arbeitsmedium für ein Rankine-Syst em wird danach entschieden, wie es die Konstruktion und die Leistungsfähigkeit der Turbine, die die kritischste Komponente des gesamten Systems darstellt, beeinflußt.Steam is almost exclusively used as a working medium in Rankine cycle systems been used. Unfortunately, it is entirely unsuitable as a working fluid in small units the size considered here. The eligibility or unsuitability of a fluid as the working medium for a Rankine system thereafter decided how it would be the design and performance of the turbine, which is the most critical component of the the entire system.

Der Einfluß der Fluid-Eigenschaften auf eine Turbinenkonstruktion kann durch Verwendung genormter Konstruktions-Parameter, wie sie von Balje angewendet werden, gezeigt werden. Diese sindThe influence of fluid properties on a turbine design can be shown using standardized construction parameters as applied by Balje. These are

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die (specific) Nenndrehzahl N =the (specific) nominal speed N =

und der (specific) Nenndurchmesser Dg = —and the (specific) nominal diameter D g = -

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wobei Ή = die Umdrehungen pro Minute,where Ή = the revolutions per minute,

Q = die volumetrische Auslaßströmung,Q = the volumetric outlet flow,

D = den Turbinendurchmesser undD = the turbine diameter and

H. = die isentropische Wärmeabnahme durch die TurbineH. = the isentropic heat removal by the turbine

angibt.indicates.

BaIje hat Konturen konstanter Wirkungsgrade über N^ - D1^BaIje has contours of constant efficiency over N ^ - D 1 ^

s ss s

Punkten angegeben. Für eine optimale Leistungsfähigkeit muß dann eine Turbine bei fixen Werten von Ή und D arbeiten. Folglich ist FxD= konstant für diesen Punkt, so daß giltPoints indicated. A turbine then has to work with fixed values of Ή and D for optimum performance. Hence, FxD = constant for this point, so that holds

= konstant = constant

H.
xs
H.
xs

Das zeigt, daß die Spitzendrehzahl der Turbine direkt proportional der Quadratwurzel der Enthalpy-Abnahme durch die Turbine ist.This shows that the peak speed of the turbine is directly proportional to the square root of the decrease in enthalpy due to the turbine is.

Sowohl von mechanischen als von aerodynamischen Gesichtspunkten her ist es wünschenswert, die Spitzendrehzahl der Turbine niedrig zu halten. Dies erfordert dann eine geringe Enthalpy-Abnahme des Arbeitsmediums zwischen Quellen- und Senken-Temperatur. An dieser Stelle haben die Fluid-Eigenschaften ihren Einfluß.Both from a mechanical and aerodynamic point of view hence it is desirable to keep the peak speed of the turbine low. This then requires a slight decrease in enthalpy of the working medium between source and sink temperature. At this point the fluid properties their influence.

Die drei bedeutsamen Eigenschaften des Fluids, die einen wesentlichen Einfluß auf die Turbinenkonstruktion und -leistung haben, sind:The three important properties of the fluid that have a significant impact on turbine design and performance have are:

1. der kritische Druck,1. the critical pressure,

2. das Molekulargewicht, und2. the molecular weight, and

3. die Beschaffenheit (Eigenschaft) des Dampfes, nachdem er einer isentropisehen Expansion von einem gesättigten3. The nature (property) of the vapor after undergoing an isentropic expansion from a saturated one

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Zustand aus unterzogen ist; das heißt, ob er "naß" oder "überhitzt" nach der Expansion wird.State is subjected to; that is, whether it becomes "wet" or "overheated" after expansion.

Der Einfluß des kritischen Druckes auf das Fluid ist aus der folgenden Näherung ersichtlich; Die Entspannung durch die Turbine ist, idealerweise, isentropisch. Die Quellen- und Senken-Temperatur und der mittlere Druckpegel in dem System, sind als fest angenommen.The influence of the critical pressure on the fluid can be seen from the following approximation; The relaxation through the turbine is, ideally, isentropic. The source and sink temperature and the mean Pressure levels in the system are assumed to be fixed.

Wir haben:We have:

411 ρ ■ °*411 ρ ■ ° *

InOIn O

ι InTr vlnVr ι InTr vlnVr

Z « Kompressibilitäts-IPaktor =Z «Compressibility I factor =

PVPV

Λ InZ = InP + In? - InR - InTΛ InZ = InP + In? - InR - InT

aus dem wir erhalten:from which we get:

InTr]InTr]

a InVr \ -4 d InTr a InVr \ -4 d InTr

PrPr

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In den obigen Beziehungen sind:In the above relationships are:

Vr = relatives Volumen = V/Vc, wobei Vc das kritischeVr = relative volume = V / Vc, where Vc is the critical one

Volumen ist,
Tr β relative Temperatur = T/Tc, wobei Tc die kritische
Volume is
Tr β relative temperature = T / Tc, where Tc is the critical one

Temperatur ist, Pr = relativer Druck = P/Pc, wobei Pc der kritische DruckTemperature is, Pr = relative pressure = P / Pc, where Pc is the critical pressure

ist, und
Cp = spez. Wärme bei konstantem Druck.
is and
Cp = spec. Warmth at constant pressure.

Aus den Tabellen, die die Eigenschaften der entsprechenden Zustände (Änderung von Z mit P und T) angeben, kann man ersehen, daß der L H.S.der Gleichung (2) mit einer Vergrößerung von P anwächst. In anderen Worten,From the tables, which give the properties of the corresponding states (change of Z with P and T), one can see see that the L H.S. of equation (2) with an enlargement of P increases. In other words,

BInVrJ PrBInVrJ Pr

nimmt ab, wenn P anwächst. Daraus ist zu entnehmen, daß ein niedriger kritischer Druck des Arbeitsmediums wünschenswert ist.decreases as P increases. From this it can be seen that a low critical pressure of the working medium is desirable.

Der Einlluß des Molekulargewichts des Fluids ist aus der folgenden Beweisführung ersichtlich:The influence of the molecular weight of the fluid is from the the following evidence:

Die Energie einer Einheitsmasse von Dampf, der zwischen zwei festen Temperaturen entspannt wird, ist näherungsweise umgekehrt proportional zu dessen Molekulargewicht, da der Enthalpy-Verlust = Cp (T^-T^)The energy of a unit mass of steam that is expanded between two fixed temperatures is approximately reversed proportional to its molecular weight, since the enthalpy loss = Cp (T ^ -T ^)

ist,is,

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wobei:whereby:

R = die universelle Gaskonstante; K = das Verhältnis der spez. Wärmen; J = das mechanische Wärmeäquivalent; M = das Molekulargewicht;
T1= die Quellen-Temperatur und
Tp= die Senken-Temperatur
R = the universal gas constant; K = the ratio of the spec. To warm; J = the mechanical heat equivalent; M = the molecular weight;
T 1 = the source temperature and
Tp = the sink temperature

angibt.indicates.

Daraus geht hervor, daß für eine gegebene Ausgangsleistung der Turbine die Massenströmungsdichte direkt proportional dem Molekulargewicht des Arbeitsmediums ist. Die Volumenströmungsdichte bleibt jedoch unverändert. Die Geschwindigkeit des Fluids nach der Entspannung durch die Turbinendüsen ist umgekehrt proportional zu dessen Molekulargewicht. Das geht hervor aus der BeziehungIt follows that for a given turbine output, the mass flow density is directly proportional is the molecular weight of the working medium. The volume flow density, however, remains unchanged. The speed of the fluid after expansion through the turbine nozzles is inversely proportional to its molecular weight. This works out out of the relationship

Geschwindigkeit =Speed =

-T * "TT (1~-T * "TT ( 1 ~

1/21/2

1/21/2

Die Drehzahl der Turbine nimmt daher mit dem Anwachsen des Molekulargewichte des Fluids ab. Da eine definierte Volumenströmungsdichte für eine gegebene Ausgangsleistung aufrechterhalten werden soll, können die Komponenten der Turbine größer und wirkungsvoller in Kraftwerkseinheiten geringer Leistung gemacht werden.The speed of the turbine therefore increases with the increase in the Molecular weights of the fluid. Since a defined volume flow density is maintained for a given output power should be, the components of the turbine can be larger and more effective in power plant units smaller Performance to be made.

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Die andere wesentliche Eigenschaft des Fluids bei der Turbinenkonstruktion ist die Neigung der Sattdampf-Linie in den Temperatur-Entropy-Koordinaten. Wenn diese Neigung, wie bei Wasser und flüssigen Metallen, negativ ist, wird der Dampf nach der Entspannung durch die Turbinendüse "naß", woraus Erosions-Probleme entstehen. Wenn die Neigung, wie bei vielen organischen Fluiden, positiv ist, wird der Dampf nach der Entspannung überhitzt und muß aus der Überhitzung abgekühlt werden, bevor er kondensiert werden kann. Ideal ist natürlich fe eine unendliche Steigung der Linie. Diese drei Fälle sind in Fig. 4- gezeigt.The other essential property of the fluid in turbine design is the slope of the saturated steam line in the Temperature entropy coordinates. If this inclination, as with Water and liquid metals, is negative, the steam becomes "wet" after the expansion through the turbine nozzle, from which Erosion problems arise. When the slope is positive, as is the case with many organic fluids, the vapor after the Relaxation overheats and has to be cooled down from overheating before it can be condensed. Ideal is of course fe an infinite slope of the line. These three cases are shown in Figure 4-.

Diese Betrachtungen zeigen, daß die Verwendung eines Fluids mit einem geringen kritischen Druck und einem hohen Molekulargewicht, insbesondere bei den betrachteten sehr kleinen Turbinengrößen, wünschenswert ist. Somit ist Dampf aus diesen beiden Gründen ungeeignet.These considerations show that the use of a fluid with a low critical pressure and a high molecular weight, especially with the considered very small turbine sizes, is desirable. So there is steam from these unsuitable for both reasons.

Viel Arbeit ist auf die Benutzung von Quecksilber als ein . Arbeitsmedium für kleine Hankine-Kreisprozeß-Kraftwerkssysteme verwendet worden. Der Vorteil seines hohen Molekulargewichts (200) scheint mehr als aufgehoben durch seinen hohen kriti- W sehen Druck (200 atm). Quecksilber hat auch eine "naße" Entspannung. Es bringt weiterhin viele zusätzliche Schwierigkeiten bezüglich der mechanischen Konstruktion der Turbinen-Komponenten mit sich. Diese erwachsen hauptsächlich aus der Schwierigkeit einer Schmierung der Lager mit Quecksilber und aus der extremen Korrosionswirkung von Quecksilber insbesondere, wenn sowohl Flüssigkeit als auch Dampf anwesend sind. Das SNAP 1-Kraftwerkssystem, welches Quecksilber als Arbeitsfluid benutzte, hatte die folgenden Leistungs-Charakteristika:Much work is being done on the use of mercury as a. Working fluid has been used for small Hankine cycle power plant systems. The advantage of its high molecular weight (200) seems to be more than offset by its high critical W see pressure (200 atm). Mercury also has a "wet" relaxation. It also introduces many additional difficulties in terms of the mechanical construction of the turbine components. These arise mainly from the difficulty of lubricating the bearings with mercury and from the extreme corrosive effects of mercury, especially when both liquid and vapor are present. The SNAP 1 power plant system, which used mercury as the working fluid, had the following performance characteristics:

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Elektrische Ausgangsleistung = 500 W "bei 115 V; Turbinen-Einlaßtemperatur = 704° C; Kondensatortemperatur = 167° Gj
Turbinendrehzahl = 40 000 rpm;
Isentropischer Turbinenwirkungsgrad = 46 %\ Wirkungsgrad der Wechselstrommaschine = 86 %; Gesamtwirkungsgrad des Systems - 9,M- % und Betriebslebensdauer = 104 Tage.
Electrical output power = 500 W "at 115 V; turbine inlet temperature = 704 ° C; condenser temperature = 167 ° Gj
Turbine speed = 40,000 rpm;
Isentropic turbine efficiency = 46% \ AC machine efficiency = 86%; Overall efficiency of the system - 9, M-% and service life = 104 days.

Ein weiteres kleines Rankine-Kreisprozeß-Kraftwerkssystem mit Quecksilber als Arbeitsmedium wird bei den Junkers Plugzeug- und Motorenwerken AG, Deutschland, intensiv entwickelt.Another small Rankine cycle power plant system with mercury as the working medium is being intensively developed at Junkers Plugzeug- und Motorenwerke AG, Germany.

Von allen oben angeführten Betrachtungen aus gesehen, erscheinen viele organische Fluide als Arbeitsfluide für kleine Rankine-Kreisprozeß-Kraftwerkssysteme besonders in Frage zu kommen. Monochlorobenzene, Dichlorobenzene, FC-75 usw. sind typische Beispiele für solche Fluide, üblicherweise haben diese Fluide einen geringen kritischen Druck, ein hohes Molekulargewicht und eine "trockene" Dampf-Entsparmungs-Linie. Ihre thermodynamischen Eigenschaften, ihre thermische und Bestrahlungs-Stabilität sind noch nicht vollständig untersucht. Nichtsdestoweniger bestehen geringe Zweifel, daß sie idealerweise für Anwendungen, wie die hier betrachtete, geeignet sind.From all of the above, many organic fluids appear as working fluids for small ones Rankine cycle power plant systems particularly come into question. Monochlorobenzene, Dichlorobenzene, FC-75, etc. are typical examples of such fluids, usually these fluids have low critical pressure, high molecular weight, and a "dry" vapor deposition line. Their thermodynamic properties, their thermal and radiation stability have not yet been fully investigated. Nonetheless, there is little doubt that they are ideally suited for applications such as that contemplated here are.

Kleine Eankine-Kreisprozeß-Kraftwerkssysteme mit einer Leistung im Bereich von 200 bis 800 W, die organische Arbeitsfluide anwenden, sind auf den Markt gebracht worden. Diese sind hauptsächlich in Verbindung mit Sonnenenergie-Quellen angewendetSmall eankine cycle power plant systems with an output in the range of 200 to 800 W, the organic working fluids apply have been put on the market. These are main used in conjunction with solar energy sources

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worden. Eine typische Ausführung einer solchen 400-We-Einheit ist wie folgt:been. A typical design of such a 400 We unit is as follows:

Kesseltemperatur = 120° C;
Kondensatortemperatur = 55° C;
thermischer Brems-Wirkungsgrad = 10 °/o\ Generatorwirkungsgrad = 75 °/° und
Gesamtwirkungsgrad = 6 %.
Boiler temperature = 120 ° C;
Condenser temperature = 55 ° C;
thermal braking efficiency = 10 ° / o \ generator efficiency = 75 ° / ° and
Overall efficiency = 6%.

Die Anpassung einer solchen Einheit für die betrachtete Anwendung kann der Gegenstand für eine Entwicklungsstudie sein. Ein offensichtliches Problem ist die thermische Stabilität von organischen Arbeitsfluiden bei höheren Temperaturen.The adaptation of such a unit for the application under consideration can be the subject of a development study. An obvious problem is the thermal stability of organic working fluids at elevated temperatures.

Der Stirling-KreisprozeßThe Stirling cycle

Obgleich die Konzeption des Stirling-Kreisprozesses auf 1816 zurückdatiert, ist die Entwicklung einer mit diesem Kreisprozeß arbeitenden Wärmekraftmaschine erst vor kurzem erfolgreich zu Ende geführt worden.Although the conception of the Stirling cycle dates back to 1816 backdated, the development of a heat engine operating with this cycle has only recently been successful been carried out to the end.

Der Stirling-Kreisprozeß ist ein Regenerativ-Kreisprozeß und erreicht, theoretisch, den höchstmöglichen thermischen Wirkungsgrad zwischen einem gegebenen Satz von Quellen- und Senken-Temperatur. Der thermische Wirkungsgrad des Stirling-Kreisprozesses ist der gleiche wie der des Carnot-Kreisprozesses. Die Entwicklung einer mit diesem thermo dynamischen Kreisprozeß arbeitenden mechanischen Vorrichtung hat eine sehr sinnreiche und ausgeklügelte mechanische Konstruktion erfordert. Die Philips-Maschine ist eine sehr komplizierte mechanische Anordnung mit zwei koaxialen Kolben, die in einem Zylinder ohne ·The Stirling cycle is a regenerative cycle and achieves, in theory, the highest possible thermal efficiency between a given set of source and sink temperatures. The thermal efficiency of the Stirling cycle is the same as that of the Carnot cycle. The development of one with this thermodynamic cycle working mechanical device has required a very ingenious and sophisticated mechanical design. the Philips machine is a very complex mechanical arrangement with two coaxial pistons, which are in a cylinder without

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Schmierung hin- und hergehen. Das Arbeitsmedium ist entweder Helium- oder Wasserstoffgas bei einem mittleren Druck von ungefähr 110 Atmosphären. Diese hohen mittleren Drücke sind erforderlich, um eine vernünftig hohe spezifische Ausgangsleistung (Leistung/Gewicht) aus der Haschine zu erhalten, und bringen natürlicherweise Probleme der dynamischen Dichtung zwischen der Kolbenstange und dem Zylinder mit sich. Die maximale Quellen-Temperatur ist gegenwärtig auf 700° 0 begrenzt. Es ist beabsichtigt, diese auf 800° 0 und den mittleren Gasdruck auf 220 Atmosphären bei Verwendung von Materialien mit besserer Dauerstandsfestigkeit in der nahen Zukunft zu steigern.Lubrication go back and forth. The working medium is either Helium or hydrogen gas at an average pressure of about 110 atmospheres. These are high mean pressures required to obtain a reasonably high specific output power (power / weight) from the machine, and naturally pose problems of dynamic sealing between the piston rod and the cylinder. the maximum source temperature is currently limited to 700 ° 0. It is intended that this will be at 800 ° 0 and the mean gas pressure to 220 atmospheres when using materials with better fatigue strength in the vicinity To increase the future.

Die für eine käuflich erhältliche Maschine angegebenen Leistungsdaten sind in der Tat sehr eindrucksvoll. Sie betragen:The performance data given for a commercially available machine are indeed very impressive. she be:

Quellentemperatur » 700° C;Source temperature »700 ° C;

Senkentemperatur =25 G;Sink temperature = 25 G;

thermischer Brems-Wirkungsgrad « 41 % und Gesamtwirkungsgrad einschl. dem elektr. Generator (85 %) » 35 %·thermal braking efficiency «41% and total efficiency including the electr. Generator (85 %) »35% ·

Der Carnot-Wirkungsgrad für diese Temperaturniveaus beträgt 69*4- Das zeigt, daß diese Maschine einen relativen Wirkungsgrad (tatsächlicher Wirkungsgrad/idealer Wirkungsgrad) von näherungsweise 60 % erreicht.The Carnot efficiency for these temperature levels is 69 * 4 %. This shows that this machine achieves a relative efficiency (actual efficiency / ideal efficiency) of approximately 60 %.

Die Anpassung der Stirling-Maschine an eine Isotopen-Quelle könnte ein Torschlag für künftige Entwicklungen sein, aber die Lizenz-Kosten, die Betriebssicherheit und die Materialien bilden Probleme.The adaptation of the Stirling engine to an isotope source could be a goal stroke for future developments, however the license costs, the operational safety and the materials constitute problems.

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Die ErfindungThe invention

Es wird eine einfache mechanische, mit einem neuen thermodjjnamischen Kreisprozeß von hohem Wirkungsgrad arbeitende Vorrichtung vorgeschlagen, die an eine Kadioisotopen-Quelle angepaßt werden kann. Obgleich der Wirkungsgrad dieses thermodynamischen Kreisprozesses nicht so hoch wie der des Stirling-Kreisprozesses ist, ist er höher als der der meisten bekannten Kreisprozesse. Die Einfachheit der entsprechenden mechanischen Vorrichtung mag das Konzept dieser Wärmekraftmaschine wert erscheinen lassen, eine solche Entwicklung als ein Langzeit-Projekt zu betreiben.It will be a simple mechanical one, with a new thermodynamic one High-efficiency cyclic process device proposed to be connected to a cadioisotope source can be customized. Although the efficiency of this thermodynamic cycle is not as high as that of the Stirling cycle, it is higher than that of most known cycles. The simplicity of the appropriate mechanical device may make the concept of this heat engine seem worth such a development as run a long-term project.

Die Maschine besteht aus einer hin- und hergehenden Mechanik, die das Arbeitsmedium den verschiedenen in den Figuren 5 und 6 gezeigten Prozessen unterwirft. Der ideale thermodynamisch^ Kreisprozeß für das Arbeitsmedium ist in Fig. 7 gezeigt. Die folgenden Punkte sollten in Verbindung mit dieser Maschine beachtet werden.The machine consists of a reciprocating mechanism that feeds the working medium to the various in FIGS and 6 processes shown. The ideal thermodynamic cycle for the working medium is shown in FIG. 7 shown. The following points should be noted in connection with this machine.

(a) Das Entspannungsverhältnis ist höher als das Kompressionsverhältnis. Dies resultiert in der Ausnutzung der Spitze des Indikator-Diagramms, welche normalerweise bei bekannten Maschinen verlorengegangen ist, wo das Kompressions- und Entspannungsverhältnis näherungsweise gleich ist. Man kann dies erreichen, da der Kompressions- und Expansions-Prozeß auf gegenüberliegende Seiten des Kolbens der erfindungsgemäßen Maschine stattfinden.(a) The expansion ratio is higher than the compression ratio. This results in using the top of the indicator chart, which is normally in known machines where the compression and relaxation ratio has been lost is approximately the same. One can achieve this because the compression and expansion processes are on opposite sides Side of the piston of the machine according to the invention take place.

(b) Der Regenerationsprozeß am Ende des Kompressionsprozesses (bei niedrigen Kompressionsverhältnissen) nutzt ein Teil der Energie der Gase, die sich entspannt haben.(b) The regeneration process at the end of the compression process (at low compression ratios) uses some of the energy of the gases that have relaxed.

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Dadurch wird die mittlere Temperatur angehoben, bei welcher Wärme zugeführt wird, und die mittlere Temperatur abgesenkt, bei der Wärme in dem Kreisprozeß abgeführt wird.This increases the mean temperature at which heat is supplied and the mean temperature lowered, with the heat is dissipated in the cycle.

(c) Der Prozeß der Wärmezuführung findet im wesentlichen bei konstantem Volumen in dem Zeitintervall statt, welches für den gesamten Aufwärtshub des Kolbens erforderlich ist.(c) The process of supplying heat takes place essentially at constant volume in the time interval which is required for the entire upstroke of the piston is.

Bekanntlich tragen alle diese Faktoren zu einem hohen thermischen Wirkungsgrad des thermodynamischen Kreisprozesses bei. Es ist gleichwohl richtig, daß das gesamte Arbeitsmedium nicht den in Fig. 7 gezeigten, idealen thermo dynamischen Kreisprozeß vollzieht. Weiterhin gibt es aufgrund von Komponenten-Unvollkommenheiten unvermeidliche Verluste. Nichtsdestoweniger ist es möglich, daß der relative Wirkungsgrad (tatsächlicher Wirkungsgrad/idealer Wirkungsgrad) dieser Maschine vergleichbar mit dem durch die Philips-Sterling-Maschine erreichten in Hinblick auf ihre vergleichsweise einfache mechanische Auslegung ist.It is well known that all of these factors contribute to a high thermal Efficiency of the thermodynamic cycle. It is nevertheless correct that the entire working medium does not complete the ideal thermodynamic cycle shown in Fig. 7. Furthermore, there are imperfections due to component parts inevitable losses. Nonetheless, it is possible that the relative efficiency (actual efficiency / ideal efficiency) of this machine comparable to that of the Philips Sterling machine achieved in terms of their comparatively simple mechanical design.

Eine detaillierte Analyse dieses thermodynamisehen Kreisprozesses ist mit Hilfe eines Digital-Computers ausgeführt worden. Die maximale Kreisprozeß-Temperatur war bei 600° C (1570° E) fixiert, wie ausgeführt. Die folgenden Gase wurden wieder auf ihre Leistungsfähigkeit als Arbeitsmedia in der Maschine untersucht: Luft, Stickstoff, Kohlendioxyd, Wasserstoff, Helium, Argon und Schwefeldioxyd. Luft und Kohlendioxyd ergeben eine bessere Leistung als die übrigen, wobei Kohlendioxyd die beste Gesamtleistung ergibt.A detailed analysis of this thermodynamic cycle has been carried out with the aid of a digital computer. The maximum cycle temperature was 600 ° C (1570 ° E) fixed as stated. The following gases have been restored to their capacity as working media in the Machine examines: air, nitrogen, carbon dioxide, hydrogen, helium, argon and sulfur dioxide. Air and carbon dioxide perform better than the rest, with carbon dioxide giving the best overall performance.

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Die mit dem Computer errechneten Ergebnisse mit Kohlendioxyd und Luft als Arbeitsmedia sind in den Figuren 8 bzw. 9 punktweise aufgetragen. Der Regenerationsprozeß kann nur solange ausgeführt werden, wie die Temperatur am Ende des Kompressionsprozesses niedriger als die Temperatur am Ende des Expansionsprozesses ist. Die Kurven A und B in den Figuren 8 und 9 verschmelzen deshalb "bei irgendeinem Wert des Kompressionsverhältnisses. Die Kurve 0 in den Figuren 8 und 9 gibt die spezifische Ausgangsleistung der Maschine an; die Ausgangsleistung pro Einheitsrate der Massenströmungsdichte W des Arbeitsmediums durch die Maschine. Somit sind für eine gegebene Ausgangsleistung zwei Wege vorhanden, die Abmessungen der Maschine auf irgendeinem gewünschten Wert zu halten:The computer-calculated results with carbon dioxide and air as the working media are plotted point by point in FIGS. 8 and 9, respectively. The regeneration process can only be carried out as long as the temperature at the end of the compression process is lower than the temperature at the end of the expansion process. Curves A and B in Figures 8 and 9 therefore merge "at any value of the compression ratio. Curve 0 in Figures 8 and 9 indicates the specific output power of the machine; the output power per unit rate of the mass flow density W of the working medium through the machine. Thus, for a given output power, there are two ways to keep the dimensions of the machine at any desired value:

(a) Änderung der Maschinendrehzahl;(a) change in engine speed;

(b) Änderung des mittleren Druckes und folglich der mittleren Dichte des Arbeitsmediums in der Maschine. (b) Change in the mean pressure and consequently the mean density of the working medium in the machine.

Eine praktische Begrenzung auf die minimale Größe der Maschine mag durch die Drehzahl gegeben sein, die durch die Wärmeübergangs-Rate in dem Regenerator begrenzt ist. Ebenso kann der minimale mittlere Druck durch den Wärmeübergang bestimmt sein. A practical limit to the minimum size of the machine may be given by the speed, which is limited by the heat transfer rate in the regenerator. The minimum mean pressure can also be determined by the heat transfer.

Ein analytischer Ausdruck für den thermischen Wirkungsgrad des idealen Kreisprozesses ist im Anhang A hergeleitet. Einige Faherungs-Leistungsberechmmgen einer Kohlendioxyd-Maschine für die vorliegende Anwendung sind im Anhang B wiedergegeben. An analytical expression for the thermal efficiency of the ideal cycle is derived in Appendix A. Some of the performance calculations for a carbon dioxide machine for this application are given in Appendix B.

Diese vorläufigen Leistungskalkulationen zeigen, daß das hier angegebene neue Wärmekraftmaschinen-Konzept in der Tat eine große Bedeutung als eine Kraftmaschine für viele AnwendungsfälleThese preliminary performance calculations show that the new heat engine concept given here is indeed a of great importance as a prime mover for many applications

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hat und zu weiteren Forschungs- und Entwicklungsarbeit "berechtigt. Zu einem hohen thermischen Wirkungsgrad kommen die folgenden Vorteile noch hinzu:has and for further research and development work "justified. Achieve a high level of thermal efficiency the following advantages:

(1) ein hohes Verhältnis von Leistung/Gewicht ;(1) a high power / weight ratio;

(2) weniger Geräusch- und Verunreinigungs-Probleme;(2) fewer noise and pollution problems;

(3) die Verwendung irgendeines Typs einer Wärmequelle; nukleare Quellen, fossile Brennstoffe oder dergl.(3) the use of any type of heat source; nuclear sources, fossil fuels or the like.

Es zeigt sich überdies, daß dieser Kreisprozeß mit einfachen mechanischen Komponenten verwirklicht werden kann, was die Entwicklung vereinfacht.It also shows that this circular process can be carried out with simple mechanical components can be realized, which simplifies the development.

Anhang; AAttachment; A.

Eine Einheitsmasse des Arbeitsmediums wird angenommen. In dem idealen Kreisprozeß hat der Regenerator einen Wirkungsgrad von 100 %. A unit mass of the working medium is assumed. In the ideal cycle, the regenerator has an efficiency of 100 %.

Es istIt is

undand

jetzt folgt: (T5ZT4)now follows: (T 5 ZT 4 )

CVV.CVV.

-1-1

P5ZP4 P 5 ZP 4

. P5ZP4 « P1ZP2 . T5ZT4 . P 5 ZP 4 «P 1 ZP 2 . T 5 ZT 4

(T5ZT4)(T 5 ZT 4 )

P1ZP2 - (T1ZT2)P 1 ZP 2 - (T 1 ZT 2 )

1ZP2 1 ZP 2

1ZT2 1 ZT 2

009835/126?009835/126?

wobei CR = das Kompressionsverhältnis undwhere CR = the compression ratio and

V = das Verhältnis der spezifischen Wärmen C /CV = the ratio of the specific heats C / C

angibt.indicates.

Die während des Kreisprozesses zugeführte Wärme ist C (0The heat supplied during the cycle is C (0

P Die während des Kreisprozesses abgeführte Wärme »P The heat dissipated during the cycle »

Cp(T2-T1) Op-T1 T(CE)^ -1 -1J Cp (T 2 -T 1 ) Op-T 1 T (CE) ^ - 1 -1J

thermischer Wirkungsgradthermal efficiency

Λ abgeführte Wärme m 1 Cp.J1 ß0R) "1J ~ zugeführte Wärme '" ov.T H-(CR)^ ^1" ^ Λ dissipated heat m 1 Cp. J 1 ß 0R) " 1 J ~ supplied heat '" ov.T H- (CR) ^ ^ 1 "^

Diese Beziehung gibt den thermischen Wirkungsgrad des Kreisprozesses in der Form des Kompressionsverhältnisses, der maximalen Kreisprozeß-Temperatur T4 und der minimalen Kreisprozeß-Temperatur T1 an.This relationship indicates the thermal efficiency of the cycle in the form of the compression ratio, the maximum cycle temperature T 4 and the minimum cycle temperature T 1 .

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Anhang; B Kohlendioxyd-Maschine;Attachment; B. Carbon dioxide machine;

Druckverhältni s: 3»Pressure ratio: 3 »

Entspannungsverhältnis: 4,1 j thermischer Wirkungsgrad: 50,9 % (Fig. 8); spezifische Ausgangsleistung: 44,159 W/lbm pro Sekunde (Fig.8); relativer Wirkungsgrad: 60 % (vorausgesetzt); Generatorwirkungsgrad: 85 % (vorausgesetzt) und Gesamt-Umwandlungs-Wirkungsgrad: 50,9 x 0,6 χ 0,85 β 26 %.Expansion ratio: 4.1 j thermal efficiency: 50.9 % (FIG. 8); specific output power: 44.159 W / lbm per second (Fig. 8); relative efficiency: 60% (provided); Generator efficiency: 85% (provided) and total conversion efficiency: 50.9 x 0.6 χ 0.85 β 26%.

Tatsächlich gewünschte Ausgangsleistung » 600 WActually desired output power »600 W

600 angegebene ideale Ausgangsleistung » β ^75 ^, Molekulargewicht von Kohlendioxyd » 44,01, Dichte von Kohlendioxyd bei 540°R und 1,015 kg/cm2 (14,5 psia)600 specified ideal output power » β ^ 75 ^, molecular weight of carbon dioxide» 44.01, density of carbon dioxide at 540 ° R and 1.015 kg / cm 2 (14.5 psia)

; Volumenströmungsdichte durch die Maschine pro Sekunde; Volume flow density through the machine per second

vorausgesetzte Maschinendrehzahl « 1000 upmassumed machine speed «1000 rpm

Verschiebung in der Saugkammer pro Hub ■ 0.242 χ60 x 1728 β 25 1 inch3Displacement in the suction chamber per stroke ■ 0.242 χ60 x 1728 β 25 1 inch 3

TOü d:?' inc TOü d :? ' inc

vorausgesetztes Hub-/Bohrungsverhältnis für die Maschine ist 1,0 β 25,1 wobei D ■ der Zylinderdurchmesser istassumed stroke / bore ratio for the machine is 1.0 β 25.1 where D ■ is the cylinder diameter

/.D a 8,05 cm (3,17") Länge des Arbeitszylinders * 17,8 cm (7W) Die Maschine kann gewunschtenfalls kompakter gebaut werden, indem die Maschinendrehzahl und/oder der mittlere Druck des Kohlendioxyds in der Maschine gesteigert wird./.D a 8.05 cm (3.17 ") length of the working cylinder * 17.8 cm (7 W ) If desired, the machine can be made more compact by increasing the machine speed and / or the mean pressure of the carbon dioxide in the machine .

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Claims (6)

PatentansprücheClaims / 1. !Verfahren zur Umwandlung von in einer thermischen Quelle ^— verfügbaren Energie in mechanische Energie in einer kontinuierlichen, geschlossenen Kreisprozeß-Folge unter Anwendung eines Arbeitsmediums, welches zur jeder Zeit gasförmig ist, dadurch gekennz eichnet, daß das Arbeitsmedium in einem ersten Raum mit einer geringeren mittleren Temperatur und einem geringeren mittleren Druck in einem Kompressionsverhältnis "r" komprimiert wird, daß eine Wärme H bei im wesentlichen konstantem Druck dem komprimierten Medium zugeführt wird, daß eine weitere Wärme H von der Quelle dem komprimierten Medium bei im wesentlichen konstantem Volumen zugeführt wird, daß das Medium in einem zweiten Raum mit einer höheren mittleren Temperatur und einem höheren mittleren Druck in einem Entspannungsverhältnis 11R" entspannt wird, wobei "S" zahlenmäßig größer als MrM ist, daß eine Wärmemenge nominell äquivalent H dem entspannten Medium bei im wesentlichen konstanten Druck entzogen wird, wobei diese Wärmemenge H zur Zuführung von Wärme zu dem komprimierten Medium bei konstantem Druck zur Verfügung steht, daß das Medium bei im wesentlichen konstan-/ 1.! Process for converting energy available in a thermal source ^ - into mechanical energy in a continuous, closed cycle sequence using a working medium which is gaseous at all times, characterized in that the working medium is in a first space is compressed with a lower mean temperature and a lower mean pressure in a compression ratio "r", that a heat H is supplied to the compressed medium at a substantially constant pressure, that a further heat H is supplied from the source to the compressed medium at a substantially constant volume is supplied that the medium is expanded in a second space with a higher mean temperature and a higher mean pressure in an expansion ratio 11 R ", where" S "is numerically greater than M r M , that an amount of heat nominally equivalent to H the relaxed medium is withdrawn at substantially constant pressure, this heat memenge H is available for supplying heat to the compressed medium at constant pressure, so that the medium at essentially constant /
υσϋ gekühlt wird, daß die durch das Medium während der Entspannung in dem zweiten Raum geleistete Arbeit erstens als für die Kompression in dem ersten Raum erforderliche Arbeit und zweitens als eine mechanische Ausgangsleistung genutzt wird und daß alle vorhergehenden Schritte periodisch wiederholt werden.
/
υσϋ is cooled that the work done by the medium during the expansion in the second space is used firstly as work required for the compression in the first space and secondly as a mechanical output power and that all the preceding steps are repeated periodically.
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2. Verf ahren nach. Anspruch. 1, dadurch gekennz eichn e t, daß die Kompression- und Entspannungs-Schritte nominell adiabatisch sind.2. Proceed according to. Claim. 1, marked thereby e t that the compression and relaxation steps are nominally adiabatic. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennz eichn e t, daß der erste und der zweite Raum zusammen ein festes Volumen bilden, wobei die jeweiligen Räume durch ein bewegliches Glied innerhalb des festen Volumens getrennt sind und daß die auf das bewegliche Glied wirkende, Nettokraft zu jeder Zeit durch die auf dessen entgegengesetzte Seiten wirkenden Drücke bewirkt ist.3. The method according to claim 1, characterized marked eichn e t that the first and the second space together form a fixed volume, the respective spaces through a movable member are separated within the fixed volume and that the net force acting on the movable member is effected at any time by the pressures acting on its opposite sides. 4-. Vorrichtung zur "Umwandlung von in einer thermischen Quelle verfügbaren Energie in mechanische Energie unter Verwendung eines gasförmigen Mediums, dadurch gekennzeichn e t, daß sie Kompressionseinrichtungen für eine nominell adiabatische Kompression des Arbeitsmediums in einem Kompressionsverhältnis "r", Wärmetauscher-Ausgangseinrichtungen zur Zuführung von Wärme zu dem komprimierten Medium bei im wesentlichen konstanten Drücken, Einrichtungen zur Zuführung von weiterer Wärme zu dem komprimierten Medium bei im wesentlichen konstanten Volumen, Ent spannungseinrichtungen für eine nominell adiabatische Expansion des komprimierten, und erhitzten Mediums in einem Entspannungsverhältnis "R", wobei 11R" zahlenmäßig größer als "r" ist, Einrichtungen zur Verbindung der Ent spannung s- und Kompressionseinrichtungen zur Ableitung eines ersten Teils der in den Entspannungseinrichtungen umgewandelten Energie für einen Antrieb der Kompressionseinrichtungen, Wärmetauscher-Eingangseinrichtungen, die mit den Wärmetauscher-Ausgangseinrichtungen zwecks eines Entzugs von Wärme bei im4-. Device for "converting energy available in a thermal source into mechanical energy using a gaseous medium, characterized in that it has compression devices for nominally adiabatic compression of the working medium in a compression ratio" r ", heat exchanger output devices for supplying heat to the compressed medium at essentially constant pressures, devices for supplying further heat to the compressed medium at essentially constant volumes, relaxation devices for nominally adiabatic expansion of the compressed and heated medium in an expansion ratio "R", where 11 R "is numerically greater as "r", devices for connecting the Ent tension and compression devices for dissipating a first part of the energy converted in the expansion devices for a drive of the compression devices, heat exchanger input devices, the m it the heat exchanger outlet devices for the purpose of extracting heat from im 009835/1267009835/1267 wesentlichen konstanten Druck von dem entspannten Medium und eines Eurverfügungstellen der bei im wesentlichen konstanten Drücken dem komprimierten Medium zugeführten Wärme betriebsmäßig verbunden sind, Kühleinrichtungen für einen Entzug weiterer Wärme bei im wesentlichen konstanten Druck von dem entspannten Medium, Einrichtungen zur Ableitung eines zweiten Teils der in den Entspannungseinrichtungen umgewandelten Energie zu einem mechanischen Ausgang, und Einrichtungen für eine aufeinanderfolgende, ) periodisch wiederholte Betätigung aller vorhergehenden Einrichtungen aufweist.substantially constant pressure from the relaxed medium and one of the available at substantially constant pressures are operationally connected to the compressed medium supplied heat, cooling devices for a withdrawal of further heat at substantially constant pressure from the relaxed medium, devices for Deriving a second part of that in the expansion devices converted energy to a mechanical output, and facilities for successive, ) has periodically repeated actuation of all preceding devices. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompressions- und Entspannungseinrichtungen Kolben- und Zylindereinrichtungen umfassen.5. Apparatus according to claim 4, characterized in that that the compression and relaxation means comprise piston and cylinder means. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß ein einzelner Zylinder und Kolben gemeinsam für die Kompressions- und Entspannungseinrichtungen vorhanden ist, wobei der Zylinder-Einlaß- und -Auslaßventile umfaßt.6. Apparatus according to claim 5 »characterized in that that a single cylinder and piston are common for the compression and expansion devices wherein the cylinder includes intake and exhaust valves. " 7· Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben eine den mechanischen Ausgang bildende Kolbenstange umfaßt. "7 · Device according to claim 6, characterized in that that the piston comprises a piston rod forming the mechanical output. 009835/1267009835/1267 LeerseiteBlank page
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