DE19751050A1

DE19751050A1 - Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie sowie der entsprechenden Umwandlung in elektrische Energie, speziell für kleine Temperaturunterschiede mit hohen Wirkungsgrad

Info

Publication number: DE19751050A1
Application number: DE1997151050
Authority: DE
Inventors: Josef Dipl Ing Ellmann; Juern Dipl Ing Edzards
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-11-20
Filing date: 1997-11-20
Publication date: 1999-05-27

Description

Grundlagen

Um die Temperatur eines Fluids von 100 ml (z. B. Terpentinöl) um 30 K zu erhöhen sind ca. 5 kJ an Wärmeenergie notwendig. Die Ausdehnung des Öl beträgt hierbei 2.91%. Nach Joule ist es gleichgültig ob diese Energie in Form von Wärmeenergie oder als mechanische Energie zugeführt wird. Das heißt: Eine Kompression des Öls um 2.91% bewirkt eine Temperaturerhöhung von 30 K. Im Umkehrschluß bedeutet dies das eine Erwärmung um 30 K mit der Volumenänderung von 2.91% der mechanischen Arbeit von Kraft mal Weg gleichzusetzen ist. Hierdurch kann der Maximaldruck berechnet werden der bei Verhinderung einer Ausdehnung des Öls auftreten würde. Diese Drücke liegen entsprechend der Ausdehnungskoeffzienten der Öle bei 30000 bis 100000 bar (Terpentinöl: ca. 64000 Bar). Umgekehrt bedeutet die Expansion eines unter 64000 bar stehen Öls auf Umgebungsdruck von ca. 1 bar einen Temperaturabfall von 30 K mit der entsprechenden Volumenerhöhung von 2,91%.

Um hieraus Wärmeenergiemaschinen zu konstruieren, die nach Garnot einen hohen Wirkungsgrad besitzen, müßten diese Maschinen mit Arbeitsdrücken von 15000 bis 50000 bar, welches technisch schwer zu realisieren ist, arbeiten. Nach Carnot ergäben sich hieraus ideale Wirkungsgrade von maximal 12% bei einem ΔT von 30 K.

Wenn Maschinen gebaut werden, die diese Drücke nur zum Teil ausnutzen, z. B. bis 300 bar, würden sich theoretische Wirkungsgrade von maximal 1,3% ergeben, weil etwa nur 1/1000 der möglichen mechanischen Energie genutzt wird.

Neues Verfahren

Wird nun die beim Carnotprozess abgeführte Wärmeenergie an eine zweite Maschine abgegeben (Fig. 1), die sich phasenverschoben synchron zur ersten Maschine bewegt und ihrerseits im Arbeitstakt der Wärmeabfuhr ihre Energie wieder zur ersten abgibt, läßt sich die Wirkungsgrad einer solchen Maschine die bei einem Arbeitsdruck von ca. 300 bar arbeitet, deutlich erhöhen. Es "pendelt" eine hohe Energiemenge zwischen den beiden Maschinen hin und her. Die Übertragung der Wärmemenge erfolgt über einen Gegenstromwärmetauscher.

Mit Hilfe des Gegenstromwärmetauschers ist es möglich auch bei Abnahme von nur 1% der möglichen mechanischen Energie, die im System vorhanden ist, hohe Wirkungsgrade von über 20% zu erzielen.

Durch unser Verfahren erschließen sich insbesondere in der Umwandlung von Wärmeenergie aus Warmwasserkollektoren in elektrische Energie ganz neue Einsatzgebiete. Insbesondere wird die notwendige Fläche der zur elektrischen Energieumwandlung notwendigen Module durch den höheren Wirkungsgrad verkleinert. Zusätzlich ist es mit diesem Verfahren möglich, Blockheizkraftwerke mit 100% Gesamtwirkungsgrad zu erstellen und dadurch den CO₂ Ausstoß drastisch zu verringern ist. Vorgesehen ist ebenso der Anschluß an die Hausheizung wobei die Kühlseite durch einen Heizkörper bzw. Fußbodenheizung hergestellt wird. Die elektrische Energie kann dann zur Deckung von Kleinverbrauchern bis 500 W genutzt werden. Dies entspricht in einem Haushalt ca. (25-50)% des gesamten elektrischen Energiebedarfs. Da der Wärmebedarf eines Einfamilienhauses 10mal so groß ist als der elektrische Energiebedarf, bestehen keine Probleme bei der Abgabe der Kühlwärme.

Um die oben angeführten Vorteile zu realisieren, muß der Wärmetauscher einen Wirkungsgrad von mindestens 90% besitzen. Weiterhin darf das Totovolumen nicht wesentlich höher als das Arbeitsvolumen sein. Das Totvolumen setzt sich aus den Tauschervolumen und den Leitungsvolumen zusammen. Die Fluidverschiebung muß exakt in Abhängigkeit von der Zylinderstellung und Zylinderdruck gesteuert werden.

Eine Verschiebung des Fluid mittels Verdränger mit integriertem Linearmotor und Umwandlung der mechanischen Energie unter Zuhilfenahme eines Piezokristalls, hätte ein kompakte einfache Bauweise ohne äußerlich bewegte Teile zur Folge. Weiterhin ist bei dieser Bauart: eine elektronische Steuerung nicht notwendig.

Claims

1. Um den Wirkungsgrad der Wärmeenergiemaschine über den des einstufigen Carnot-Prozesses zu erhöhen, ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß in dem System mindestens zwei um 180° versetzte Garnot-Prozesse ablaufen, die ihre Wärmeenergie über Wärmetauscher austauschen (Fig. 2).

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, das das Arbeitsmedium der in sich abgeschlossenen Systeme ein Fluid ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1-2 dadurch gekennzeichnet, daß die periodisch ablaufende Erwärmung ,und Abkühlung der Flüssigkeit durch Verschieben derselben auf die kalte bzw. warme Seite erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1-3 dadurch gekennzeichnet, daß während der Verschiebung der Flüssigkeiten die Systeme ihre Wärmeenergie gegenseitig über Wärmetauscher austauschen.

5. Verfahren nach Anspruch 1-4 dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmezufuhr bzw. Wärmeabfuhr nach der heißen bzw. kalten Seite des Wärmetauschers erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1-4 dadurch gekennzeichnet, daß die Volumenänderungen infolge der periodischen Erwärmung und Abkühlung über eine Membran bzw. direkt auf einen Piezokristall (Fig. 3) zur direkten Umwandlung in elektrische Energie übertragen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1-4 dadurch gekennzeichnet, daß die Volumenänderung infolge der periodischen Erwärmung und Abkühlung über Arbeitszylinder und Kurbelwelle in eine Rotation umgewandelt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1-4 dadurch gekennzeichnet ist, daß zur Trennung von warmen und kalten Fluid ein Material mit schlechter Wärmeleitung wie z. B. Cr.Ni-Stähle oder Glas verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1-8 dadurch gekennzeichnet das die Verschiebung des Fluids prozessorgesteuert über Servoantriebe (Liniearmotor) bzw. mit Pumpen (Fig. 4) vorgenommen wird.