DE19921471A1 - Kältekraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung umfaßt, erstens, ein Verfahren zur Wandlung von thermischer Energie in Nutzarbeit, zweitens, Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens, drittens, vorteilhafte Ergänzungen dieser Vorrichtungen für unterschiedliche Anwendungsbereiche, und viertens, das Konzept eines Energiewirtschaftssystems, in welchem der Einsatz herkömmlicher Wärmekraftmaschinen und Kältemaschinen vorteilhaft substituiert werden kann. Kern der Erfindung ist die Kältekraftmaschine, die unter Verwendung eines Dampfkreisprozesses und eines Speicherprozesses einen Kältepol innerhalb ihrer Systemgrenze beinhaltet und deshalb Wärme von Umgebungstemperatur in Nutzarbeit wandeln kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und verschiedene Vorrichtungen zur Wandlung von thermischer Energie in mechani­ sche Energie sowie deren energetisch vorteilhafte Anwendungen. Sie umfaßt, erstens, ein Verfahren zur Energiewandlung von thermischer Energie in Nutzarbeit, zweitens, unterschiedliche Vorrichtungen zur Realisierung dieses Verfahrens als offenes oder geschlossenes System, drittens, vorteilhafte Zusatzvorrich­ tungen zum Einsatz des Verfahrens in unterschiedlichen Anwen­ dungsbereichen, und viertens, Konzepte zur Gestaltung eines Energiewirtschaftssystems unter Verwendung der erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen. Eine hierbei beschriebene Maschine ist im herkömmlichen Sinne weder eine Wärmekraftmaschine noch eine Kältemaschine. Sie bildet eine neue Gattung von Energie­ wandlern für thermische Energie und wird zur Abgrenzung gegen­ über bekannten Maschinen als Kältekraftmaschine bezeichnet.

Wärmekraftmaschinen wandeln Wärmeenergie in Nutzarbeit, indem ein Fluid als Arbeitsmedium der Maschine einen zyklischen Prozeß von thermodynamischen Zuständen durchläuft. Hierzu wird das Fluid von niedrigem auf hohen Druck gefördert, dann bei hohem Druck durch Zufuhr von Wärmeenergie erhitzt, dann unter Abgabe von Nutzarbeit auf niedrigen Druck entspannt und anschließend durch Entzug von Wärmeenergie auf die Anfangs­ temperatur gekühlt. Wenn das Arbeitsmedium dabei einen zykli­ schen Phasenwechsel flüssig-gasförmig-flüssig durchläuft, dann ist der thermodynamische Prozeß ein Dampfkreisprozeß, und wenn das Fluid stets gasförmig bleibt, dann ist er ein Gaskreis­ prozeß. Der Dampfkreisprozeß mit Wasser als Arbeitsmedium ist das derzeit wichtigste Verfahren zur Stromerzeugung und wird vornehmlich in Großkraftwerken eingesetzt. Der Gaskreisprozeß mit Luft als Arbeitsmedium ist das derzeit wichtigste Verfahren zum Antrieb von Transportmitteln sowie stationären und mobilen Arbeitsmaschinen (Fahrzeuge, Flugzeuge, Schiffe, Rasenmäher, Motorsägen, Kleingeneratoren etc.).

In Wärmekraftmaschinen ist der thermodynamische Kreisprozeß rechtsläufig, wobei Wärmeenergie bei hoher Temperatur zugeführt und bei niedriger Temperatur als Abwärme an die Umgebung der Maschine abgegeben wird. Die Differenz aus zugeführter und abgeführter thermischer Energie entspricht der abgegebenen Nutzarbeit. Das Verhältnis aus Nutzarbeit und zugeführter Wärmeenergie ist der Wirkungsgrad der Maschine. Nach CARNOT hängt der Wirkungsgrad herkömmlicher Wärmekraftmaschinen von der oberen und unteren Prozeßtemperatur (T_oben bzw. T_unten) ab und kann den Wert

η = 1-T_unten/T_oben

nicht übersteigen. Dieser sogenannte CARNOT'sche Wirkungs­ grad bildet die theoretische Obergrenze für den Wirkungsgrad herkömmlicher Wärmekraftmaschinen. Die Abwärme der Maschine kann nach dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik nie kälter sein als die Temperatur der Maschinenumgebung. Weil die Umgebungstemperatur eine endliche Schranke für die Temperatur der Abwärme bildet, kann der Wirkungsgrad herkömmlicher Wärmekraftmaschinen nach dem Satz von CARNOT nur durch die Anhebung der oberen Prozeßtempe­ ratur gesteigert werden.

Kältemaschinen sind Arbeitsmaschinen mit einem linksläufigen thermodynamischen Kreisprozeß (Dampf oder Gas). Sie transportie­ ren Wärmeenergie unter Einsatz von Wellenarbeit (Kompressions­ kältemaschine) und ggf. zusätzlicher Heizung (Absorptionskälte­ maschine) von tiefer auf hohe Temperatur und geben diese dann ebenfalls an die Umgebung der Maschine ab. Die Wärmeaufnahme erfolgt bei tiefer Temperatur, so daß einem zu kühlenden Objekt Wärme entzogen werden kann. Nach dem 1. Hauptsatz der Thermo­ dynamik ist die als Abwärme abgegebene thermische Energie der Kältemaschine die Summe aus der dem gekühlten Objekt entzogenen Wärmeenergie und der zugeführten Antriebsarbeit der Maschine.

Der Nachteil von Wärmekraftmaschinen und Kältemaschinen ist, daß die Umgebung stets die Wärmesenke für die jeweilige Abwärme darstellt, welche die Umgebung bzw. die Umwelt belastet. Dabei bildet die Umgebungstemperatur eine natürliche Schranke für die Abwärmetemperatur, denn die Abwärme kann nach dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik niemals kälter sein als die Umgebung der jeweiligen Maschine.

Der Nachteil von Wärmekraftmaschinen ist, daß sie für einen hohen Wirkungsgrad Wärme von möglichst hoher Temperatur aufneh­ men müssen, die nur durch Verbrennung von Primärenergieträgern erreichbar ist, das sind fossile oder nukleare oder biologisch erzeugte Brennstoffe, oder aber durch Konzentration von Sonnen­ licht mittels Spiegelkonzentratoren. Herkömmliche Wärmekraft­ maschinen zur Nutzung von Wärme niedriger Temperatur haben nach CARNOT stets einen schlechten Wirkungsgrad und sind daher in der Regel weniger wirtschaftlich als Wärmekraftmaschinen mit einer hohen oberen Prozeßtemperatur. Die Emissionen aufgrund der Verbrennung von fossilen oder nuklearen Brennstoffen führen zu einer nachhaltigen Schädigung der Umwelt mit allen bekannten Folgen bis hin zu einer möglicher Klimakatastrophe.

Der Nachteil von Kältemaschinen ist der zusätzliche Aufwand an zuzuführender Energie, entweder als Wellenarbeit oder als Heizwärme, die neben der eigentlichen Kühlleistung zusätzlich als Abwärme an die Umgebung transportiert werden muß. Sofern die Kältemaschine ihre Antriebsenergie mittelbar oder unmittelbar über den Betrieb einer Wärmekraftmaschine bezieht, sind die Emissionen und die Abwärme der antreibenden Wärmekraftmaschine prinzipiell der Kältemaschine anteilig zuzurechnen. Der Betrieb einer Kältemaschine verursacht daher neben der eigenen Abwärme mittelbar eine um den Anteil des verursachenden Antriebs erhöhte Abwärme- und Emissionsbelastung der Umwelt. Nachteilig ist zusätzlich die Verwendung eines Arbeitsmediums (Kältemittel) sofern dieses den Treibhauseffekt verstärken kann und infolge von Leckage oder bei Demontage der Maschine in die Atmosphäre gelangt.

Aufgabe der Erfindung ist es, erstens, ein Verfahren zur Wandlung von thermischer Energie zu finden, das die genannten Nachteile nicht hat, zweitens, Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens zu finden, drittens, vorteilhafte Ergänzungen dieser Vorrichtungen für unterschiedliche Anwendungsbereiche zu finden, und viertens, Konzepte und Verfahren für ein Energie­ wirtschaftssystem zu finden, in welchem der Einsatz herkömm­ licher Wärmekraftmaschinen und Kältemaschinen vorteilhaft substituiert werden kann. Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf 18 Figuren beschrieben. Die Figuren sind thematisch gruppiert und beschreiben im einzelnen:

• - Gruppe 1, Fig. 1-5, Maxwell'sche Geschwindigkeitsverteilung und Energietransport;
• - Gruppe 2, Fig. 6-10, Kreisprozesse und thermodynamische Verfahren der Kältekraftmaschine;
• - Gruppe 3, Fig. 11-16, wärmetechnische Schaltbilder verschiedener Anwendungen;
• - Gruppe 4, Fig. 17-18, Konzepte für ein Energiewirtschaftssystem.

Die Figuren werden bei Erläuterung der einzelnen Themen­ bereiche detailliert beschrieben. Zum besseren Verständnis der Erfindung ist die technische Beschreibung in vier Abschnitte entsprechend der Gruppen 1-4 unterteilt.

ABSCHNITT 1 Maxwell, Wärme und Energietransport

Nach geltender Auffassung der Physik ist Wärme diejenige Energieform, die aufgrund eines Temperaturunterschiedes zwischen zwei thermodynamischen Systemen übertragen wird. Ein System im Sinne der Thermodynamik ist "abgeschlossen", wenn es weder Energie, noch Masse mit seiner Umgebung austauscht, es ist "geschlossen", wenn es zwar Energie, aber keine Masse mit seiner Umgebung austauscht, und es ist "offen", wenn es sowohl Energie, als auch Masse mit seiner Umgebung austauscht. (Anmerkung: Abgeschlossene Systeme existieren nur in der Theorie.) Die kinetische Wärmetheorie beschreibt nun "Temperatur" als ein Maß für die mittlere kinetische Energie der in einem thermodynami­ schen System enthaltenen Moleküle. Diese befinden sich ständig in Bewegung und tauschen durch Stoß oder andere Wechselwirkung kinetische Energie aus. Die kinetische Energie innerhalb der Molekülmenge eines Systems folgt nach der Theorie von Maxwell einer temperaturabhängigen statistischen Verteilung, wobei die mittlere kinetische Energie eines einzelnen Moleküls über die Boltzmann-Konstante k mit der absoluten Temperatur gekoppelt ist (E_kin3kT/2). Die Maxwell'sche Theorie ermöglicht eine Aussage über den Anteil einer Molekülmenge, der eine bestimmte Geschwin­ digkeit und damit eine bestimmte kinetische Energie besitzt. Danach enthält eine Molekülmenge viele Moleküle, die eine wahr­ scheinlichste Geschwindigkeit besitzen, und weniger Moleküle, die schneller oder langsamer sind. Auf Molekülebene gibt es daher ein statistisch verteiltes Spektrum von Geschwindigkeiten bzw. Temperaturen, das dem Verlauf der Maxwell'schen Verteilung entspricht. Obwohl die Theorie exakt nur für ideale Gase formu­ liert wurde, werden diese Prinzipien auch für reale Gase und Flüssigkeiten als gültig erachtet. Im Modell des idealen Gases sind die einzelnen Gasmoleküle punktförmig, ohne Eigenvolumen, und sie treten nur durch elastischen Stoß in Wechselwirkung. Die Moleküle realer Gase dagegen besitzen ein Eigenvolumen, und sie treten außer durch elastischen Stoß zusätzlich noch über zwischenmolekular wirkende elektrische Kräfte in Wechselwirkung, die durch molekulare Dipole verursacht werden. Reale Gase können durch Abkühlen kondensiert werden. Der Wechsel des Aggregatzu­ standes von flüssig nach gasförmig hängt von einem Schwellwert ab, einem Mindestmaß an kinetischer Energie. Diesen muß ein Molekül erreichen, um die zwischenmolekularen Kräfte zu überwin­ den und dadurch den Aggregatzustand zu wechseln. Der Schwellwert ist abhängig von Temperatur und Druck des jeweiligen Fluids und wird wesentlich von der Höhe der zwischenmolekularen Kräfte des fluiden Stoffes beeinflußt. Der Schwellwert läßt sich in der Maxwell'schen Verteilung als druckabhängige Vertikale darstel­ len, welche die Mindestgeschwindigkeit und damit die Mindest­ energie markiert. Diese Mindestenergie benötigt ein Molekül für den Wechsel des Aggregatzustandes - links vom Schwellwert sind Moleküle langsam, d. h. kalt, und können flüssig werden, rechts vom Schwellwert sind sie schnell, d. h. heiß, und können gasför­ mig werden. Der Übergang zum Gas ist mit erheblicher Volumen­ zunahme des Fluids verbunden. Die Lage des Schwellwertes läßt sich durch den Druck beeinflussen, die Menge der Moleküle, die sich links oder rechts vom Schwellwert befinden, durch die Temperatur.

Zusätzlich läßt sich das Energieprofil einer Molekülmenge durch einen physikalischen Vorgang beeinflussen, welcher die Grundlage für die erfindungsgemäße Kältekraftmaschine bildet:
Die Mischung von Fluiden unterschiedlicher Stoffe oder unter­ schiedlicher Temperatur. Aus dem täglichen Leben ist bekannt, daß lauwarmes Badewasser durch Hinzufügen von heißem Wasser die gewünschte Badetemperatur erreichen kann. Läßt man heißes Wasser in lauwarmes Badewasser einlaufen, so entstehen zunächst Zonen unterschiedlicher Temperatur, die sich innerhalb einer bestimm­ ten Zeit ausgleichen, bis in der gesamten Badewanne die gleiche Wassertemperatur gemessen werden kann - das heiße Wasser hat sich abgekühlt und das lauwarme Wasser hat sich erwärmt. Die Endtemperatur läßt sich über die Mischungsregel ermitteln. Sie liegt stets zwischen der Ausgangstemperatur der an der Mischung beteiligten Wassermengen. In der Ausgleichszeit findet ein Energietransport im Maxwell'schen Energieprofil der beteiligten Molekülmengen statt, d. h. das Energieprofil des Gleichgewichts­ zustandes ist vom Profil aus der Summe der beiden Eingangs­ profile verschieden. Die Differenz beider Profile zeigt den Energietransport innerhalb der Molekülmenge. Bis zum Gleich­ gewichtszustand wird kinetische Energie vom heißen, schnellen Ende und vom kalten, langsamen Ende in den mittleren Bereich transportiert. Wenn dabei der Schwellwert für die Änderung des Aggregatzustandes überschritten wird, dann kann sich der Aggregatzustand der betroffenen Moleküle ändern: Es kommt zur Kondensation von Dampf in einer Flüssigkeit, oder zur Verdamp­ fung einer Flüssigkeit in einem Gas, oder zur Nebelbildung bei der Mischung von zwei Gasen oder zur Verdampfung bei der Mischung von zwei Flüssigkeiten. Die Übertragung von kinetischer bzw. thermischer Energie findet hier im dreidimensionalen Strömungsfeld ohne fest definierte Geometrie statt. Damit unterscheidet sich dieses Verfahren von der Wärmeübertragung über die Wand eines Wärmetauschers mit fest definierter Geometrie. Die Vorgänge sind in den Fig. 1 bis 5 erläutert.

Die kursiv gestellten Symbole beziehen sich auf die jeweilige Figur:

Fig. 1 zeigt den Verlauf der Maxwell'schen Geschwindigkeits­ verteilung für Stickstoff als angenähert idealem Gas bei Temperaturen von 300 K bzw. 900 K. Bei 300 K ist die Kurve höher und schmaler als bei 900 K.

Fig. 2 zeigt schematisch den Verlauf der Maxwell'schen Geschwindigkeitsverteilung für zwei Temperaturen T1 und T2 mit T1 kälter als T2 und zusätzlich die Schwellwerte für den Wechsel des Aggregatzustandes bei den Drücken p1 und p2 mit p1 kleiner als p2. Es wird deutlich, daß bei p1 die Molekül­ menge zu T1 weitgehend flüssig sein wird, während sie bei T2 weitgehend gasförmig sein wird.

Fig. 3 zeigt die Energieprofile zweier Molekülmengen eines Stoffes über der Geschwindigkeit seiner Moleküle aufgetragen. Das Energieprofil entsteht aus der Maxwell'schen Verteilung, indem die Hälfte der Anzahl der Moleküle zu einem Geschwin­ digkeitswert mit der jeweiligen Molekülmasse und dem Quadrat der jeweiligen Molekülgeschwindigkeit multipliziert wird. Daraus ergibt sich die Verteilung der kinetischen Energie über den Molekülgeschwindigkeiten (E_kin = mv²/2). E.1 ist das Profil einer Stoffmenge von vier Mol bei einer niedrigen Temperatur T1. E.2 ist das Profil einer Stoffmenge von einem Mol bei einer hohen Temperatur T2.

Fig. 4 zeigt die Energieprofile der beiden Molekülmengen kurz nach dem Mischungsvorgang und nach Einstellung des thermischen Gleichgewichts. E.1+2 ist die Summe der Einzelprofile aus Fig. 3 und E.Mix ist das Profil einer Menge von fünf Mol des Stoffes mit der Mischungstemperatur des thermischen Gleichgewichts. Es ist deutlich, daß beide Profile verschieden sind, wobei unmittelbar nach dem Mischungsvorgang erheblich mehr kinetische Energie oberhalb von ca. 1100 m/s Molekülgeschwindigkeit vorhanden ist als nach Einstellung des Gleichgewichtszustandes.

Fig. 5 zeigt nun die Differenz aus den Mischungsprofilen mit E.Diff = E.1+2-E.Mix. Das Profil E.1+2 unmittelbar nach dem Mischvorgang besitzt einen Überschuß an kinetischer Energie unterhalb von 500 m/s und oberhalb von 1100 m/s. Dazwischen gibt es ein Defizit, das durch Herstellung des Gleichge­ wichtszustandes ausgeglichen wird. Wenn der Schwellwert für den Phasenübergang gasförmig-flüssig bei 1000 m/s liegt, dann wird die Molekülmenge jenseits der 1100 m/s bei Einstellung des Gleichgewichts kondensieren.

Damit ist das erste wesentliche physikalisches Grundprinzip der Kältekraftmaschine erläutert: Durch Mischungsvorgänge von Fluiden unterschiedlicher Temperatur entsteht ein Energietrans­ port im Spektrum der Maxwell'schen Molekülgeschwindigkeiten. Dadurch läßt sich ein Phasenwechsel erzwingen, der dann jeweils mit erheblicher Volumenänderung des Fluids verbunden ist. Der Energietransport erfolgt durch molekulare Wechselwirkung im dreidimensionalen Strömungsfeld ohne fest definierte Wandflächengeometrie.

ABSCHNITT 2 Kreisprozesse und thermodynamische Verfahren der Kältekraftmaschine

Die Kältekraftmaschine basiert wie die Wärmekraftmaschine und die Kältemaschine auf thermodynamischen Prozessen. Ausgangs­ punkt für die Konstruktion des neuen Verfahrens sind ein rechts­ läufiger Dampfkreisprozeß und ein Speicherprozeß, der mit einem flüssigen oder einem gasförmigen Fluid durchgeführt werden kann. Ein rechtsläufiger Dampfkreisprozeß erzeugt Arbeit aus zugeführ­ ter Wärme indem Flüssigkeit auf hohen Druck gepumpt wird, diese dort unter Wärmezufuhr verdampft wird, dann unter Abgabe von Wellenarbeit auf niedrigen Druck entspannt und schließlich infolge von Abkühlung durch Wärmeentzug verflüssigt wird. Ein Speicherprozeß verwandelt Nutzarbeit bzw. kinetische Energie in potentielle Energie indem ein Fluid von niedrigem auf hohen Druck gepumpt wird. Die dann in einem Druckspeicher enthaltene potentielle Energie kann zu einem späteren Zeitpunkt über eine Entspannungsmaschine wieder gewonnen werden. Speicherprozesse gibt es mit Flüssigkeiten als Arbeitsmedium, z. B. Pumpspeicher­ werke für Kraftwerksanlagen, oder mit Gasen als Arbeitsmedium, z. B. Druckluftspeicher für Bremskraftanlagen von Lastkraftwagen oder Eisenbahnen. Die Zustandsänderungen eines Kreisprozesses im Druck-Volumen-Diagramm aufgetragen umschließen stets eine Fläche, welche die im Kreisprozeß erzeugte Nutzarbeit darstellt. Die Zustandsänderungen eines idealen, d. h. verlustfreien, Speicherprozesses im Druck-Volumen-Diagramm aufgetragen umschließen keine Fläche, sondern sind nur ein einfacher Linienzug zwischen zwei thermodynamischen Zuständen.

Das zweite wesentliche Grundprinzip der Kältekraftmaschine beruht nun darauf, daß aus dem Speicherprozeß ein rechtsläufiger Kreisprozeß erzeugt wird, indem ein Teil der Fläche des rechts­ läufigen Dampfkreisprozesses durch Stoffübertragung und Mischung zweier Fluide an den Speicherprozeß abgegeben wird. Dieser spannt dann im Druck-Volumen-Diagramm für den Zeitraum der molekularen Energieübertragung im Maxwell'schen Profil eine Fläche auf, die somit einen weiteren rechtsläufigen Kreisprozeß darstellt und Nutzarbeit abgeben kann. Druck, Temperatur und beteiligte Arbeitsstoffe sind dabei so zu wählen, daß beim Energietransport innerhalb des Ausgleichsprozesses der Schwellwert zum Phasenübergang des zum Dampfkreisprozeß gehörigen Arbeitsmediums unterschritten wird und dieses bei Einstellung des Mischungsgleichgewichts kondensiert. Die Konstruktion des Verfahrens erfolgt über die stoffliche Verknüp­ fung von zwei Prozessen und erfordert im einfachsten Fall drei Druckniveaus: Den unteren Druck p1 des Dampfkreisprozesses, den oberen Druck p2 des Dampfkreisprozesses, und einen Mischungs­ druck px, der zwischen dem oberen und unteren Druck des Dampf­ kreisprozesses liegt. Der Dampfkreisprozeß verläuft zwischen den Drücken p1 und p2, und der Speicherprozeß verläuft zwischen den Drücken p1 und px.

Zur Konstruktion des Verfahrens wird der Dampfkreisprozeß in zwei Teile getrennt, von denen der eine zwischen p1 und px und der zweite zwischen px und p2 abläuft. Im Druck-Volumen-Diagramm wird die von den Zustandsänderungen des Dampfkreisprozesses umschlossene Fläche durch eine Horizontale bei px in zwei Teilflächen getrennt. Der obere Teil des Dampfkreisprozesses wird durch vollständige Stoffentnahme bei px geschlossen. Diese Methode ist vom Otto- bzw. Dieselmotor bekannt, bei denen der offene Kreisprozeß durch Stoffabgabe an die Umgebung geschlossen wird. Vom Dampfkreisprozeß zwischen p1 und p2 bleibt ein Teilprozeß zwischen dem Druckniveau px und p2, dessen erzeugte Nutzarbeit an den Speicherprozeß überführt wird. Der obere Teil des Dampfkreisprozesses pumpt das Fluid des Speicherprozesses von Druckniveau p1 auf Druckniveau px. Das Schließen der oberen Teilfläche des Dampfkreisprozesses erfordert die vollständige Entnahme der Stoffmenge des Dampfkreisprozesses bei px. Diese Stoffmenge wird mit der Stoffmenge des Speicherprozesses gemischt und das Volumen des Speicherprozesses nimmt um das Volumen der hinzugemischten Stoffmenge aus dem Dampfkreisprozeß zu. Der obere Zustandspunkt des Speicherprozesses verlagert sich auf der Volumen-Achse nach rechts zu einem größeren Volumen, wodurch mit dem Linienzug des Speicherprozesses eine Fläche aufgespannt wird. Die gesamte Mischung wird nun unter Abgabe von Wellenarbeit von px auf p1 entspannt. Dadurch wird der gesamten Molekülmenge kinetische Energie entzogen, welche die Maschine als Wellenarbeit an einen externen Verbraucher abgeben kann. Zusätzlich findet ein Ausgleichsprozeß mit Energietransport innerhalb der Molekülmenge im Maxwell'schen. Energieprofil statt, wobei der aus dem Dampfkreisprozeß stammende Teil der auf p2 entspannten Stoffmenge unter Abgabe von Volumen kondensiert. Die kondensierte Stoffmenge wird anschließend zurück in den Dampf­ kreisprozeß transportiert. Damit wird im Druck-Volumen-Diagramm die aus Zumischung einer Stoffmenge an den Speicherprozeß aufgespannte Fläche geschlossen. Es entsteht ein zweiter rechts­ läufiger Kreisprozeß, dessen Fläche aus der Übertragung des unteren Teils des Dampfkreisprozesses an einen Speicherprozeß stammt, wobei die potentielle Energie des Speicherprozesses aus dem oberen Teil des Dampfkreisprozesses übertragen wurde. Die Überlagerung beider Teilprozesse ergibt im Druck-Volumen- Diagramm einen rechtsläufigen Kreisprozeß mit einer Dreiecks­ fläche im Naßdampfgebiet des Dampfkreisprozesses. Dieser aus Überlagerung zweier Teilprozesse entstandene Dreiecksprozeß muß KEINE Abwärme an die Umgebung abführen, weil der Abwärmetrans­ port durch Umschichtung im Maxwell'schen Energieprofil infolge eines Mischungsvorganges von Molekülmengen unterschiedlicher Temperatur innerhalb einer geschlossenen Systemgrenze erfolgt, wobei die Abwärmeenergie von einer Stoffmenge bewegt wird, die zwischen zwei Teilprozessen zirkuliert. Damit entfällt die von den Wärmekraftmaschine und Kältemaschinen bekannte Restriktion der Umgebungstemperatur und das Temperaturfenster des Dampf­ kreisprozesses kann frei gewählt werden.

Das Prinzip kann sowohl mit einem Flüssigkeitsspeicherprozeß als auch mit einem Gasspeicherprozeß umgesetzt werden. Bei einem Gasspeicherprozeß führt die Entspannung der Mischungsmenge zu einer Nebelkondensation, wobei die Flüssigkeit des Nebels mit Hilfe eines Kraftfeldes, vorzugsweise einem Zentrifugalfeld, aus dem Gas entfernt werden muß. Bei einem Flüssigkeitsspeicher­ prozeß führt die Entspannung der Mischungsmenge zur Absorption des Dampfes in einer Flüssigkeit, welche damit wie ein thermischer Verdichter wirkt, der beispielsweise bei den Absorptionskältemaschinen eingesetzt wird. Durch Kombination der Prozesse gibt es DREI Möglichkeiten zur Realisierung einer Kältekraftmaschine. Die erste ist die Kombination eines Flüssigkeitsspeicherprozesses L mit einem Dampfkreisprozeß D, die zweite ist die Kombination eines Dampfkreisprozesses D mit einem Gasspeicherprozeß G, und die dritte ist schließlich die Kombination von sowohl Flüssigkeits- als auch Gasspeicherprozeß mit einem Dampfkreisprozeß LDG. In allen drei Fällen kann das thermodynamische System der Kältekraftmaschine so konstruiert werden, daß der Abwärmestrom der Kreisprozesse über einen Stofftransport innerhalb der Systemgrenze zirkuliert und nicht an die Umgebung transportiert werden muß. Weil die Abwärme der Kältekraftmaschine im Inneren der Systemgrenze mittels einer ihren Aggregatzustand ändernden Stoffmenge zirkuliert, kann das Temperaturfenster des Dampfkreisprozesses frei gewählt werden. Daraus ergeben sich wiederum drei mögliche Prozeßvarianten:
Bei der ersten Variante KKM.A liegen obere und untere Prozeßtemperatur des Dampfkreisprozesses oberhalb der Umgebungs­ temperatur.
Bei der zweiten Variante KKM.B liegt die Umgebungs­ temperatur zwischen der oberen und unteren Prozeßtemperatur des Dampfkreisprozesses.
Bei der dritten Variante KKM.C schließlich liegen beide Prozeßtemperaturen unterhalb der Umgebungstempe­ ratur.
Die Variante KKM.A läßt sich beispielsweise mit einer Stoffkombination Wasser und Luft realisieren, KKM.B mit der Stoffkombination Ammoniak und Stickstoff, KKM.C schließlich mit flüssigem Stickstoff und Helium. Die Nennung der Stoffkombina­ tionen sind nur beispielhaft und keinesfalls eine erschöpfende Aufzählung. In der zweiten und dritten Variante enthält die Kältekraftmaschine den Kältepol innerhalb ihrer Systemgrenzen, d. h. der kälteste Punkt von Umgebung und Maschine befindet sich im Inneren der Maschine. Dieser ist das Kondensat des Dampf­ kreisprozesses mit einer Temperatur stets unterhalb der Umgebungstemperatur.

Druck, Temperatur, Stoffmengen und Stoffauswahl der Prozesse sind so abzustimmen, daß die Stoffe gut mischbar sind und ein Stoffanteil während der Expansion des Speicherprozesses kondensieren kann. Dabei sind bei der Auswahl der Stoffe für die Prozesse L, D, und G folgende Kombinationen möglich:

Die in der Tabelle genannten Stoffgruppen A, B und C sind jeweils Stoffe oder Stoffgemische aus reinen Komponenten und können sich wie folgt zusammensetzen:

Der thermische Wirkungsgrad einer Maschine nach dem genannten Verfahren läßt sich aus den thermischen Wirkungsgraden der beiden Teilprozesse ermitteln. Die beiden Teilprozesse sind, erstens, der obere Teil des Dampfkreisprozesses, und zweitens, der durch Zumischung an den Speicherprozeß entstandene untere Kreisprozeß. Ohne auf die Herleitung einzugehen ermittelt sich der thermische Maschinenwirkungsgrad dann aus den thermischen Wirkungsgraden der beiden Teilprozesse wie folgt:

Dabei bedeuten:
η_m thermischer Wirkungsgrad der Maschine
η₁ thermischer Wirkungsgrad des oberen Prozesses zwischen Mischungsdruck px und oberem Druck p2
η₂ thermischer Wirkungsgrad des unteren Prozesses zwischen unterem Druck p1 und Mischungsdruck px
s prozentualer Wärmeverlust der Maschine infolge von Wärmestrahlung
n Anzahl der Zyklen des Dampfkreisprozesses während der Laufzeit der Maschine.

Der Maschinenwirkungsgrad ist abhängig von den thermischen Wirkungsgraden der Teilprozesse, er sinkt mit der Menge der abgestrahlten Wärme, und er wächst mit der Anzahl der Kreisprozeßzyklen asymptotisch gegen einen Grenzwert, der größer sein kann als die Summe der Wirkungsgrade der Teilprozesse:

Der Wirkungsgrad ist damit abhängig vom prozentualen Wärmeverlust durch Abstrahlung. Bei der dritten Prozeßvariante KKM.C ist der Anteil s der abgestrahlten Wärme gleich Null, da die Maschine kälter als ihre Umgebung ist. Der Wirkungsgrad der Kältekraftmaschine bei unendlicher Laufzeit ergibt sich dann zu:

η_m(0, ∞) = 1

Die Kältekraftmaschine kann bei unendlicher Laufzeit im Grenzwert einen thermischen Wirkungsgrad von 1 erreichen, wenn die obere und untere Temperatur des Dampfkreisprozesses unterhalb der Umgebungstemperatur liegt. Weil sie dann die zugeführte Wärme vollständig in Nutzarbeit umwandelt, kann sie die innere Betriebstemperatur halten ohne sich aufzuheizen. Die Prozeßtemperaturen können über den Dampfkreisprozeß fest definiert werden, weil die Phasenübergänge flüssig-gasförmig und gasförmig-flüssig jeweils isotherme Prozesse sind. Das Verfahren steht im Einklang mit neuen Erkenntnissen der Thermodynamik, zum einen, weil der Kältepol Bestandteil der Maschine ist und damit beide internen Kreisprozesse wie bei den bekannten Wärmekraft­ maschinen und Kältemaschinen zwischen einem warmen und einem kalten Pol ablaufen können, zum anderen, weil durch den Mischungsvorgang und ständige Zufuhr von Wärmeenergie ein permanentes thermisches Ungleichgewicht im Inneren der Maschine aufrechterhalten wird. Mit Hilfe dieses Ungleichgewichtes wird das sonst gültige Prinzip des Entropieanstiegs umgangen. Hierzu ein Zitat aus dem Buch von Hering, Martin, und Stohrer "Physik für Ingenieure", 6. Auflage, Springer Verlag 1997, Seite 186:

• "Das Prinzip des Entropieanstiegs gilt nur für abgeschlossene Systeme, nicht aber für offene. Ist ein offenes System weit entfernt vom thermischen Gleich­ gewicht, so bewirken einerseits Energiezufuhr oder auch Zustrom neuer Stoffe und andererseits die Umwandlung im System in andere Energie- und Stofformen, daß sich im System ständig neue Lagen der Systemteile zueinander, neuartige Bewegungsabläufe oder neuartige Reaktions­ abläufe bilden, an denen größere Bereiche des Systems beteiligt sind. Unter den sich kurzzeitig bildenden, miteinander konkurrierenden Strukturen (Moden) kommt es ab einem charakteristischen Schwellwert der Energie- oder Stoffzufuhr plötzlich zu makroskopisch wahrnehmbaren Ordnungszuständen. Durch Selbstorganisation setzen sich jene neuartigen Moden (Ordner) durch, die den anderen Systemteilen ihre Ordnung am erfolgreichsten aufprägen (Versklavung) und die höchsten Wachstumsraten haben. Aus der Unordnung (Chaos) entstehen also in offenen Systemen geordnete Strukturen. Welche Ordnungszustände sich unter gegebenen Randbedingungen bilden, ist Untersuchungs­ gegenstand der von H. HAKEN (*1927) begründeten Lehre vom Zusammenwirken der Einzelteile offener Systeme, der Synergetik."

Weil die Kältekraftmaschine weit entfernt von ihrem thermi­ schen Gleichgewicht gehalten wird, vermag sie die ungeordnete kinetische Energie einer Molekülmenge von Fluiden an die geordnete Struktur eines Festkörpers zu übertragen. Sie kann thermische Energie dann vollständig in kinetische Energie bzw. Nutzarbeit umwandeln, wenn sie einen Kältepol zum Betrieb der beiden Teilprozesse im Inneren ihrer Systemgrenze beinhaltet und die obere Prozeßtemperatur des Dampfkreisprozesses unterhalb der Umgebungstemperatur liegt.

Das beschriebene Verfahren ist kaskadierbar, wobei mehrere der beschriebenen Prozesse als offene oder geschlossene Systeme mit jeweils eigenen Druck- und Temperaturniveaus nacheinander ablaufen und thermisch oder stofflich miteinander gekoppelt sein können. Durch die verschiedenen Konstruktionsvarianten, die Vielfalt der möglichen Stoffkombinationen und die Möglichkeit zur Kaskadierung des Verfahrens kann die Kältekraftmaschine vielfältige Anwendungsgebiete im Bereich der Energietechnik und der thermischen Verfahrenstechnik erschließen, die mit herkömmlichen Wärmekraftmaschinen und Kältemaschinen sowohl energetisch als auch wirtschaftlich ungünstiger ablaufen, da letztere ihre Abwärme an die Umgebung abführen müssen.

Die beschriebenen Prinzipien sind in den Fig. 6 bis 10 erläutert:

Fig. 6 zeigt die Konstruktionselemente des Verfahrenszur Umwandlung von thermischer in kinetische Energie: Einen Dampfkreisprozeß mit den Zustandspunkten d1 bis d4, einen Flüssigkeitsspeicherprozeß mit den Zustandspunkten l1 und l2, und einen Gasspeicherprozeß mit den Zustandpunkten g1 und g2. Der Dampfkreisprozeß verläuft zwischen dem unteren Druck p1 und dem oberen Druck p2, die Speicherprozesse zwischen dem unteren Druck p1 und dem Mischungsdruck px, wobei px zwischen p1 und p2 liegt.

Fig. 7 zeigt in fünf Unterfiguren 7.1 bis 7.5 die Konstruk­ tion des Verfahrens aus einem Gasspeicherprozeß und einem Dampfkreisprozeß jeweils im Druck-Volumen-Diagramm. Fig. 7.1 zeigt den Dampfkreisprozeß. Fig. 7.2 zeigt den Gasspeicher­ prozeß. In Fig. 7.3 sind zwei weitere Zustandspunkte x1 und x2 eingefügt und es entsteht der obere Teil des Dampfkreis­ prozesses mit der durch den Linienzug x1-d2-d3-x2-x1 begrenzten Fläche. Die dadurch repräsentierte Nutzarbeit wird als potentielle Energie im Gasspeicherprozeß gespeichert, dargestellt in Fig. 7.4 durch den Linienzug g1-g2-gx-g0-g1. Der untere Teil des Dampfkreisprozesses, in Fig. 7.3 durch den Linienzug d1-x1-x2-d4-d1 dargestellt, wird durch Entnahme der gesamten gasförmigen Stoffmenge m-gas des Dampfkreis­ prozesses an den Gasspeicherprozeß übertragen, der dadurch gemäß Fig. 7.4 eine Volumenzunahme von g2 nach g3 erfährt. Die gemischte Stoffmenge wird dann von g3 nach g4 entspannt, dabei kondensiert die zuvor zugeführte Stoffmenge und kann als Flüssigkeit m-liq zwischen g4 und g1 entzogen und erneut dem Dampfkreisprozeß zugeführt werden. Die Überlagerung beider Vorgänge zeigt Fig. 7.5 mit einem Dreiecksprozeß d1- x1-x2-d1, der im Naßdampfgebiet des Dampfkreisprozesses abläuft und keine Abwärme abgeben muß.

Fig. 8 zeigt in fünf Unterfiguren 8.1 bis 8.5 analog zu Fig. 7 die Konstruktion des Verfahrens für einen Dampfkreisprozeß und einen Flüssigkeitsspeicherprozeß.

Fig. 9 zeigt in vier Unterfiguren 9.1 bis 9.4 die möglichen Varianten der Kältekraftmaschine anhand von Darstellungen des Energieflusses zwischen den Kreisprozessen innerhalb der Systemgrenzen einer Maschine. Dabei bedeutet Q die zugeführte Heizwärme, q die Abwärme und W die Arbeit eines Kreisprozes­ ses. Der Zusatz l kennzeichnet den Flüssigkeitsspeicher­ prozeß, der Zusatz d den Dampfkreisprozeß und der Zusatz g den Gasspeicherprozeß. In den Fig. 9.1 bis 9.3 sind die drei Prozeßvarianten dargestellt, Fig. 9.4 zeigt die möglichen Kombinationen der Arbeitsmedien für die beteiligten Prozesse. Die Energieflußdarstellungen zeigen, daß die Systemgrenze der Maschine nur von Heizwärme Q und Arbeit W überschritten wird, weil die Abwärme der Kreisprozesse im Inneren der Maschine zwischen mindestens zwei Kreisprozessen zirkuliert. Die Systemgrenzen der jeweiligen Kreisprozesse sind gestrichelt dargestellt und werden in bekannter Weise von Heizwärme, Abwärme und Arbeit überschritten. Fig. 9.1 zeigt die Variante mit einem Flüssigkeitsspeicherprozeß und einem Dampfkreisprozeß, Fig. 9.2 zeigt die Variante mit einem Gasspeicherprozeß und einem Dampfkreisprozeß, Fig. 9.3 zeigt die Kombination aus allen drei Prozeßelementen.

Fig. 10 zeigt in drei Unterfiguren 10.1 bis 10.3 einen Vergleich der Temperaturfenster und Wärmeströme der drei verschiedenen Maschinenarten. Aufgetragen sind die Tempera­ turfenster mit oberer und unterer Prozeßtemperatur parallel zur vertikalen Temperaturachse und relativ zur Umgebungs­ temperatur Ta (ambiente Temperatur). Zufuhr von Heizwärme Q und Abfuhr von Abwärme q sind bei der entsprechenden Temperatur durch Pfeile symbolisiert. Fig. 10.1 zeigt das Temperaturfenster einer Wärmekraftmaschine WKM, die bei hoher Temperatur ihre Heizwärme Q aufnimmt und bei einer Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur Ta ihre Abwärme q abgibt. Fig. 10.2 zeigt das Temperaturfenster einer Kältemaschine KM, die bei niedriger Temperatur unterhalb der Umgebungs­ temperatur Ta einen Wärmestrom Q aufnimmt und bei einer Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur Ta einen Abwärmestrom q abgibt. Fig. 10.3 zeigt schließlich die Temperaturfenster der drei möglichen Prozeßvarianten A, B und C der Kältekraftmaschine KKM. Alle drei Varianten nehmen Heizwärme bei der oberen Prozeßtemperatur auf. Bei Variante KKM.A liegen obere und untere Prozeßtemperatur oberhalb der Umgebungstemperatur Ta. Diese Maschine verliert zwangsläufig einen Abwärmestrom q an die Umgebung infolge von Wärmestrah­ lung. Bei Variante KKM.B liegt die obere Prozeßtemperatur oberhalb und die untere Prozeßtemperatur unterhalb der Umge­ bungstemperatur Ta. Diese Maschine verliert ebenfalls einen Abwärmestrom q an die Umgebung infolge von Wärmestrahlung. Bei Variante KKM.C liegen beide Prozeßtemperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur Ta. Diese Variante kann infolge Strahlung keine Abwärme an die Umgebung verlieren und kann die zugeführte Wärme bei langer Laufzeit vollständig in Nutzarbeit wandeln.

Der vorliegende Abschnitt 2 zeigt, daß die neuartige Kältekraftmaschine eine eigene Gattung von Energiewandlern für thermische Energie darstellt und sich wesentlich von den bekannten Maschinen unterscheidet. Dabei bietet insbesondere die Variante KKM.C völlig neue Möglichkeiten zur Nutzung von Wärmeenergie. Der folgende Abschnitt zeigt verschiedene Varianten zur Umsetzung und Nutzung des Verfahrens.

ABSCHNITT 3 Wärmetechnische Schaltbilder verschiedener Anwendungen

Ohne Anspruch auf vollständige Nennung der Möglichkeiten zur Realisierung des in Abschnitt 1 und 2 beschriebenen Verfahrens werden in diesem Abschnitt verschiedene Möglichkeiten zur Realisierung der Kältekraftmaschine anhand von symbolischen Wärmeschaltbildern vorgestellt und erläutert. Die Vorrichtungen wurden auf der Basis von thermischen Turbomaschinen und Strömungsmaschinen konzipiert, wobei ein Turboverdichter oder eine Turbine auch durch eine energetisch äquivalente Kolbenmaschine ersetzt werden kann. Die Beispiele wurden vor dem Hintergrund der drohenden Klimaveränderung gewählt und sollen geeignet sein, existierende wärme- und kältetechnische Anlagen zu substituieren.

Die Kältekraftmaschine kann als geschlossenes oder offenes System konstruiert werden. Als geschlossenes System erhält sie den Energiestrom an Heizwärme mit Hilfe eines Wärmetauschers über den die externe Heizwärme mit einer definierten Heizfläche in das System übertragen wird. Als offenes System erhält sie den Energiestrom an Heizwärme mittels eines Stoffstromes, der durch die Kältekraftmaschine abgekühlt wird und das System anschließend mit geringerer Temperatur wieder verläßt. Die verschiedenen Konzepte sind in den Fig. 11 bis 16 erläutert. Die mit Buchstaben gekennzeichneten Symbole bedeuten im einzelnen:
K = Kessel zur Verdampfung einer Flüssigkeit
V = Verdichter zur Kompression eines Gases, oder Ventil
T = Turbine zur Erzeugung von Wellenarbeit
Z = Zentrifugalseparator zur Trennung von Flüssigkeits-Gas- Gemischen
G = Generator zur Stromerzeugung als Verbraucher von Wellenarbeit (Anmerkung: Anstelle des Generators kann eine beliebige Arbeitsmaschine gesetzt werden, beispielsweise ein Propeller, ein Ventilator, ein Verdichter, eine Pumpe oder ein Getriebe)
P = Pumpe zur Förderung einer Flüssigkeit
DSV = Dampfstrahlverdichter mit Zusatz gas für Gasförderung oder liq für Flüssigkeitsförderung
M = Mischkammer mit mindestens zwei Eingängen und einem Ausgang
WT = Wärmetauscher
SB = Sammelbehälter für verflüssigtes Gas
Q = zugeführte Heizwärme
Gas = Zugeführter Gasstrom.

Pfeile zeigen einen Stoffstrom zwischen Funktionselementen oder Zufuhr bzw. Abgabe eines Stoffstromes aus der bzw. in die Umgebung. Gefärbte Flächen in den Symbolen K, Z und SB bedeuten "Flüssigkeit", nicht gefärbte Flächen bedeuten "Gas". Wellen­ schraffur bedeutet "Wasser", Würfelschraffur bedeutet "Eis", unterbrochene Wellenschraffur bedeutet "Flüssigkeits-Gas- Gemisch". Die verschiedenen Realisierungen werden nachfolgend detailliert erläutert:

Fig. 11 zeigt in zwei Unterfiguren 11.1 und 11.2 das Schalt­ bild einer Kältekraftmaschine als geschlossenes System mit Dampfkreisprozeß und Gasspeicherprozeß. Fig. 11.1 zeigt ein System mit einer Turbinen-Verdichter-Kombination. Im Kessel K wird flüssiges Arbeitsmedium des Dampfkreisprozesses durch die Heizwärme Q verdampft und über eine Dampfturbine T1 vom oberen Druck p2 auf den Mischungsdruck px entspannt. Die Turbine T1 treibt den angeschlossenen Verdichter V, der eine Gasmenge des Gasspeicherprozesses aus dem Zentrifugalsepara­ tor Z bei dem unteren Druck p1 ansaugt und auf Mischungsdruck px verdichtet. Der Dampfstrom aus der Turbine T1 und der Gasstrom aus dem Verdichter V werden in der Mischkammer M vereinigt und als Mischgas der Gasturbine T2 zugeführt, die den Mischgasstrom auf den unteren Druck p1 des Zentrifugal­ separators Z expandiert und mit der freiwerdenden Wellen­ arbeit den Generator G antreibt. Im Abgasstrom der Turbine T2 entsteht Nebelkondensat infolge des Energietransports im Maxwell'schen Energieprofil. Dieses Kondensat wird im Zentri­ fugalseparator Z vom Gas getrennt und über die Pumpe P zurück. in den Kessel K gefördert. Das System erzeugt Wellenarbeit mittels zweier geschlossener Fluidkreisläufe und erhält seine Antriebsenergie durch eine externe Heizquelle. Fig. 11.2 zeigt ein vereinfachtes System, in dem die Kombination von Turbine T1 und Verdichter V sowie Mischkammer M durch einen Dampfstrahlverdichter für Gase DSV-Gas ersetzt wurden. Die Funktionsweise ist ansonsten die gleiche wie in Fig. 11.1.

Fig. 12 zeigt in zwei Unterfiguren 12.1 und 12.2 analog zu Fig. 11 das Schaltbild einer Kältekraftmaschine als geschlossenes System mit einem Dampfkreisprozeß und einem Flüssigkeitsspeicherprozeß. Fig. 12.1 zeigt ein System mit einer Turbinen-Pumpen-Kombination. Hier ist der Verdichter V aus Fig. 11 durch eine Pumpe P1 ersetzt, die flüssiges Arbeitsmedium direkt aus dem Sumpf des Zentrifugalseparators Z ansaugt und der Mischkammer M zuführt, wo sie mit Dampf gemischt wird. Das Flüssigkeits-Dampf-Gemisch wird dann über die Turbine T2 entspannt und dem Zentrifugalseparator Z zugeführt, wobei der Dampf über Absorption in der Flüssigkeit kondensiert. Die Pumpe P2 fördert anschließend den konden­ sierten Anteil des flüssigen Arbeitsmediums zurück in den Kessel K. Die Turbine T2 darf keine Gasturbine sein, da sie einen hohen Flüssigkeitsgehalt des zugeführten Fluidstromes verarbeiten muß. Hier ist eher eine Flüssigkeitsturbine, z. B. eine Freistrahlturbine (Peltonturbine) einzusetzen. In Fig. 12.2 sind Mischkammer M und die Turbinen-Pumpen-Kombination durch einen Dampfstrahlverdichter für Flüssigkeiten DSV-Liq oder auch Dampfstrahlpumpe ersetzt. Die Funktionsweise ist ansonsten die gleiche wie in Fig. 12.1.

Die Vorrichtungen bzw. Maschinen nach Fig. 11 und 12 sind geschlossene Systeme. Sie sind deshalb abgasfrei und können, im Transport- und Energiesektor eingesetzt, zur Reduktion der klimaschädlichen Emissionen herkömmlicher Verbrennungsmaschinen beitragen.

Die Fig. 13 bis 16 zeigen Wärmeschaltungen und Anwen­ dungsbeispiele für eine kryogene Kältekraftmaschine vom Typ KKM.C mit einem Dampfkreisprozeß und einem Gasspeicherprozeß, bei der die obere und untere Prozeßtemperatur unterhalb der Umgebungstemperatur liegt. Der Dampfkreisprozeß verwendet ein verflüssigtes Gas als Arbeitsmedium, vorzugsweise flüssige Luft. Der Gasspeicherprozeß verwendet ein Edelgas als Arbeitsmedium, vorzugsweise Helium, oder aber gasförmigen Wasserstoff. Die fett umrandeten Behältersymbole kennzeichnen eine Superisolierung, welche den Wärmestrom aus der Umgebung in die Behälter mit flüssiger Luft verhindern soll. Die Fig. 13 und 14 sind Ableitungen der Fig. 11 mit den Unterfiguren 11.1 und 11.2. Im Unterschied zu den geschlossenen Systemen in Fig. 11 enthalten Fig. 13 und 14 jeweils ein offenes System, in dem die der Maschine zugeführte Wärmeenergie mit einem Stoffstrom von Luft aus der Umgebung entnommen wird. In der Maschine wird dieser Gasstrom an Luft von Umgebungstemperatur unter Abgabe von Wellenarbeit kondensiert und verläßt die Maschine verflüssigt in einen Sammelbehälter. Fig. 15 und 16 zeigen dann nützliche technische Anwendungen zur weiteren energetischen Verwendung der im Sammelbehälter gespeicherten flüssigen Luft. Zur Verein­ fachung geht die folgende Darstellung davon aus, daß dem der Maschine zugeführten Luftstrom die kondensierbaren Anteile an Wasser, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Stickoxiden und Methan bereits entzogen worden sind und die Luft im wesentlichen aus den Bestandteilen Stickstoff, Sauerstoff, Argon sowie Spuren an Edelgasen besteht. Im einzelnen zeigen die Fig. 13 bis 16:

Fig. 13 zeigt eine Kältekraftmaschine vom Typ KKM.C mit einem Dampfkreisprozeß auf der Basis flüssiger Luft und, zwecks Vereinfachung der Erläuterung, mit einem Gasspeicher­ prozeß auf der Basis von Helium. Kern der Maschine ist ein geschlossenes System nach Fig. 11.1, dessen Heizwärme nun einem Stoffstrom von Luft bei Umgebungstemperatur entnommen wird. Dieser Stoffstrom liefert die Antriebsenergie der Maschine und verläßt die Maschine verflüssigt. Die Differenz der Enthalpie von gasförmiger Luft mit Umgebungstemperatur und flüssiger Luft muß als Wellenarbeit an einen externen Verbraucher abgegeben werden. Der Stoffstrom von Umgebungs­ luft wird über die Turbine T1 einem Wärmetauscher WT zugeführt. Darin wird sie auf Kesseltemperatur von unter Minus 140°C gekühlt, und gibt ihre Eigenwärme als Heizwärme der Kältekraftmaschine an die flüssige Luft im Kessel K, die dort bei hohem Druck p2 verdampft. Die gekühlte Umgebungsluft verringert ihr spezifisches Volumen, wodurch im Wärmetauscher WT ein Unterdruck gegenüber dem Umgebungsdruck entsteht, der durch Nachströmen von Umgebungsluft über die Turbine T1 einen Ausgleich sucht. Die Turbine T1 treibt einen Verdichter V1, der die gekühlte Umgebungsluft aus dem Wärmetauscher WT auf Mischungsdruck px fördert und der Mischkammer M zuführt. Die bei p2 verdampfte Luft in Kessel K wird in bekannter Weise über die Turbine T2 auf Mischungsdruck px entspannt, die wiederum den Verdichter V2 antreibt. Verdichter V2 saugt gasförmiges Helium-Luft-Gemisch bei niedrigem Druck p1 aus dem Zentrifugalseparator und komprimiert es auf den Mischungsdruck px. In der Mischkammer M werden nun DREI Gasströme vereinigt, erstens, gekühlte und komprimierte Luft aus der Umgebung, zweitens, verdampfte und expandierte Luft aus dem Kessel, und drittens komprimiertes Helium-Luft- Gemisch aus dem Zentrifugalseparator. Die Summe der Gasströme wird über die Turbine T3 unter Abgabe von Wellenarbeit an den Generator entspannt. Der Transport von kinetischer Energie im Maxwell'schen Profil führt zur Nebelkondensation von Luft in der Heliumatmosphäre. Der Nebel aus flüssiger Luft wird vom Gas im Zentrifugalseparator Z getrennt. Dabei nimmt die Menge an flüssiger Luft im Sumpf des Zentrifugalseparators um die Menge der aus der Umgebung angesaugten Luft zu. Dieser Anteil kann über ein Ventil V in einem Sammelbehälter SB gespeichert werden. Der zuvor im Kessel K verdampfte Anteil flüssige Luft gelangt über die Pumpe P zurück in den Kessel. Damit wird der Kreislauf geschlossen. Der Unterschied zur geschlossenen Maschine nach Fig. 11 besteht in der Wärmequelle, die hier durch einen Stoffstrom von Umgebungsluft bereitgestellt wird.

Fig. 14 zeigt das Schaltbild einer Kältekraftmaschine analog zu Fig. 13, allerdings wurden hier die Turbinen-Verdichter- Kombinationen T1-V1 und T2-V2 sowie die Mischkammer Pf durch einen Dampfstrahlverdichter für Gase DSV-Gas ersetzt. Die Funktionsweise ist ansonsten die gleiche wie in Fig. 13.

Die Vorrichtungen bzw. Maschinen nach Fig. 13 und 14 beinhalten ein neues Verfahren zur Luftverflüssigung, das sich von dem bekannten Linde-Verfahren im wesentlichen durch zwei Punkte unterscheidet: Erstens, die Maschine muß von Anfang an mit einer Menge an flüssiger Luft gefüllt sein, und zweitens, die Luftverflüssigung erfolgt unter Abgabe von Wellenarbeit. Hierbei ist einleuchtend, daß bei Betrieb der Maschine nach Fig. 13 bzw. Fig. 14 ein Strom von flüssiger Luft anfällt, der bei begrenzter Speicherkapazität des Sammelbehälters SB an die Umgebung zurückgeführt werden muß. Diese Rückführung kann durch energetische Nutzung der flüssigen Luft erfolgen. Die im Sammel­ behälter SB gespeicherte flüssige Luft ist dann Ausgangspunkt für weitere vorteilhafte Ergänzungen des Verfahrens, die in den Fig. 15 und 16 erläutert sind. Zur Vereinfachung der Erläu­ terung ist dort der Sammelbehälter SB jeweils Ausgangspunkt für die weitere energetische Nutzung der verflüssigten Luft. Der Sammelbehälter wird damit zu einer Art "Batterie" mit deren Hilfe der Lastgang des Energiebedarfs über die Zeit geregelt werden kann. Zur Erläuterung sei ergänzt, daß der Sammelbehälter in den Anwendungen nach Fig. 15 und 16 die Funktion eines Kessels erhält in dem flüssige Luft verdampft wird, und der somit mit Druck beaufschlagt wird. Im Sinne der Abgrenzung gegenüber dem Kessel K der Maschinen nach Fig. 11 bis 14 wird jedoch an der Bezeichnung Sammelbehälter festgehalten. Die Figuren zeigen die wesentlichen Funktionselemente der Nutz­ anwendungen, ohne eventuell erforderliche Nebenaggregate.

Fig. 15 zeigt in zwei Unterfiguren 15.1 und 15.2 zwei Vorrichtungen zur Nutzung der flüssigen Luft, die zum Antrieb von Transportmitteln (Fahrzeugen, Schiffen, Flugzeugen) oder von stationären bzw. mobilen Arbeitsmaschinen geeignet sind. Fig. 15.1 zeigt wieder eine Vorrichtung mit einer Turbinen- Verdichter-Kombination. Flüssige Luft im Sammelbehälter SB wird über einen Strom von Umgebungsluft mittels Wärmetauscher WT beheizt und bei Überdruck p2 verdampft. Die verdampfte Luft aus dem Sammelbehälter SB wird über die Turbine T1 auf Mischungsdruck px entspannt. Die Turbine T1 treibt einen Verdichter V, welcher die angesaugte und im Wärmetauscher WT abgekühlte Umgebungsluft auf Mischungsdruck px verdichtet. Beide Luftströme werden in der Mischkammer M bei Mischungs­ druck px gemischt und schließlich über die Turbine T2 unter Abgabe von Wellenarbeit an den Generator G auf Umgebungsdruck entspannt. Der Volumenstrom der angesaugten Luft ist dabei so einzustellen, daß die Expansion in Turbine T2 nicht zu einer Nebelkondensation führt. Diese Maschine nutzt die in der Umgebungsluft gespeicherte Wärme zur Verdampfung von flüssiger Luft unter Abgabe von Wellenarbeit. Die Emissionen dieser Maschine bestehen aus kalter Luft. In Fig. 15.2 sind die Bauelemente Turbine, Verdichter und Mischkammer wieder durch einen Dampfstrahlverdichter für Gase DSV-Gas ersetzt. Der Dampfstrahlverdichter DSV-Gas saugt. Umgebungsluft durch einen Wärmetauscher WT, wobei die Wärme der Umgebungsluft zur Verdampfung der flüssigen Luft bei Überdruck p2 im Sammel­ behälter SB dient. Die verdampfte flüssige Luft dient als Treibdampf für den Betrieb des Dampfstrahlverdichters in dem beide Luftströme gemischt, beschleunigt und auf Umgebungs­ druck entspannt werden. Diese Anordnung wirkt wie ein Strahltriebwerk und kann zum Antrieb von Flugzeugen verwendet werden. Die Emissionen dieser Maschine sind ebenfalls nur kalte Luft. Zur Unterscheidung zu herkömmlichen Triebwerken wird diese Vorrichtung als Kältestrahltriebwerk bezeichnet. Ein mit einer Kältekraftmaschine und angeschlossenem Kältestrahltriebwerk ausgestattetes Flugzeug kann prinzipiell unbegrenzt lange in der Luft bleiben, weil es sowohl Antrieb als auch Auftrieb aus der umgebenden Luft bezieht.

Die in den Fig. 11 bis 15 dargestellten Vorrichtungen und Verfahren sind geeignet den klimaschädlichen Einsatz von heuti­ gen Wärmekraftmaschinen zu substituieren, wobei die eigentliche Antriebsenergie aus der Umgebungsluft stammt, welche im Falle der Maschinen nach Fig. 13 bis 15 auch den "Treibstoff" für den Betrieb der Maschinen darstellt. Der große Vorteil der Erfindung besteht nun darin, daß dieser "Treibstoff" an jedem Punkt der Erde ohne Explorationsaufwand unbegrenzt verfügbar ist, und daß die Maschinen entweder keine Emissionen haben oder aber nur kalte Luft abgeben. Damit entfällt der schädliche Ausstoß von klimarelevanten Gasen und eine wesentliche Aufgabe der Erfindung ist erfüllt.

Die weitere Aufgabe der Erfindung liegt in der Substitution herkömmlicher Kältemaschinen. Die Ableitung hierzu ist einfach, weil flüssige Luft ein idealer Kälteträger und Kältespeicher ist, der durch Mischung mit vortemperierter Luft auf jedes benö­ tigte Temperaturniveau eingestellt werden kann. In Fig. 16 sind daher zwei nützliche Anwendungen der Kältetechnik dargestellt, die von hoher wirtschaftlicher Bedeutung sein können:

Fig. 16 zeigt in zwei Unterfiguren 16.1 und 16.2 die energetisch nützliche Verwendung von flüssiger Luft als Kälteträger. In Fig. 16.1 wird flüssige Luft aus dem Sammelbehälter durch einen Wärmetauscher WT bei Überdruck verdampft und über eine Turbine T unter Abgabe von Wellen­ arbeit an den Generator G auf Umgebungsdruck entspannt. Der Wärmetauscher WT befindet sich in einem Wasserbecken, dem durch Verdampfung der flüssigen Luft Wärme entzogen wird. Nach ausreichend langem Betrieb bildet sich Eis, das aufschwimmt und von dem flüssigen Wasser leicht getrennt werden kann (Anmerkung: Die Eisschicht ist in Fig. 16.1 als "Würfelschraffur" dargestellt). Das aufschwimmende Eis ist stets Süßwasser, selbst wenn das Wasserbecken salziges Meerwasser enthält. Diese Vorrichtung vermag die latente Schmelzwärme des Wassers zu nutzen und erzeugt neben kalter Luft zusätzlich elektrischen Strom und Süßwasser als Beiprodukt. Die kalte Luft kann zur Klimatisierung von Gebäuden eingesetzt werden, so daß diese Vorrichtung gerade in heißen und trockenen Zonen der Erde unschätzbare Vorteile hat. Fig. 16.2 zeigt eine Vorrichtung, in der flüssige Luft direkt in flüssiges Wasser in einem senkrechten Rohr einge­ bracht wird, in dem sie wegen ihres geringeren spezifischen Gewichtes aufsteigt. Der Energieaustausch zwischen beiden Fluiden führt dann zu einer Phasenänderung der Luft, welche verdampft, und des Wassers, welches teilweise gefriert. Der entstehende Gasstrom vermag Wasser in die Höhe zu reißen und damit zu fördern. Diese Vorrichtung ist eine einfache Pumpe für den Wassertransport, wobei das Wasser während des Transports teilweise gefriert und am Ende der Förderstrecke als Eis eine Menge Süßwasser gespeichert enthält, welche leicht vom Restwasser getrennt werden kann. Eine solche Vorrichtung wirkt wie ein Geysir und wird im Unterschied zu den bekannten heißen Geysiren als Kältegeysir bezeichnet. Sie kann vorteilhaft Anwendung finden bei der Konstruktion von landwirtschaftlichen Bewässerungssystemen, insbesondere wenn als Wasserquelle nur Meerwasser zur Verfügung steht. Bei dieser Anordnung entfallen mechanische Pumpen, weil der Flüssigkeitstransport unter Ausnutzung von Auftrieb und Phasenwechsel der beteiligten Fluide erfolgt. Ein weiteres Einsatzgebiet ist die Klimatisierung öffentlicher Plätze in heißen Regionen mit Hilfe einer Springbrunnenanlage, die durch einen Kältegeysir angetrieben wird.

Damit können die Vorrichtungen nach Fig. 16 das Beiprodukt "flüssige Luft" der Maschine nach Fig. 13 oder 14 in vorteil­ hafter Weise für Anwendungen der Kälte- und Klimatechnik nutzen, wobei als Emissionen der Maschinen ausschließlich kalte Luft entsteht, die für Klimatisierungszwecke genutzt werden kann. Die Kältekraftmaschine ist daher geeignet, herkömmliche Verfahren der Kälte- und Klimatechnik zu substituieren und den Einsatz klimabedenklicher Kältemittel zu reduzieren.

ABSCHNITT 4 Konzept eines Energiewirtschaftssystems

Die Ausführungen zeigen, daß mit Hilfe der Kältekraft­ maschine auf der Basis von Luft ein Energiewirtschaftssystem konstruiert werden kann, das geeignet ist, die Versorgung der Menschen mit Strom, Wasser, Transport, Wärme und Kälte langfristig und nachhaltig zu sichern und die latenten Gefahren aus der Verbrennung von fossilen und nuklearen Energieträgern zu reduzieren. Dieses erfordert den Einsatz der Kältekraftmaschine in volkswirtschaftlichem Maßstab, wobei abschließend zwei Aspekte besonders herausgestellt werden sollen: Erstens, der Sektor des Straßenverkehrs, und zweitens das Konzept eines Energiewirtschaftssystems an sich. Beide Aspekte werden unter Bezug auf die Fig. 17 und 18 erläutert.

Der Straßenverkehr und der Energiesektor sind bekanntlich wesentliche Verursacher klimaschädlicher Emissionen. Hier ergeben sich bei Verwendung der Kältekraftmaschine neue vorteilhafte Lösungsmöglichkeiten, die vor dem Hintergrund folgender Überlegung erläutert werden:

Die Bundesrepublik Deutschland unterhält 1997 zur Stromerzeugung einen Kraftwerkspark mit einer installierten elektrischen Leistung von ca. 100 Gigawatt, der mit Grund-, Mittel- und Spitzenlastbetrieb den Tagesgang des Strombedarfs ausgleicht und die flächendeckende Bereitstellung von Strom sichert. Die Bundesrepublik Deutschland unterhält weiterhin einen Fahrzeugpark von ca. 40 Mio. Kraftfahrzeugen, die mit Verbrennungsmotoren angetrieben werden. Wenn jedes dieser Fahr­ zeuge einen Motor von nur 40 Kilowatt Antriebsleistung hätte, dann entspräche das in Summe einer volkswirtschaftlich instal­ lierten Motorenleistung von mindestens 1.600 Gigawatt, das wären mindestens das 16fache der installierten Kraftwerksleistung.

Wenn jedes dieser Kraftfahrzeuge eine Jahreskilometerleistung von 30.000 km bei einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 50 km/h hätte, dann würde jedes dieser Kraftfahrzeuge im Jahr 600 Stunden gefahren werden, das sind weniger als 7% der verfügbaren Zeit. Wenn jedes dieser Kraftfahrzeuge während weiterer 7% seiner Standzeit seine Motorenleistung zur Stromerzeugung verwenden und den erzeugten Strom in ein Netz einspeisen würde, dann hätte diese Fahrzeugflotte mehr Strom erzeugt, als der gesamte Kraftwerkspark der Bundesrepublik Deutschland bei Vollastbetrieb, wäre aber nur zu 14% seiner Zeit genutzt. Daraus folgt, daß die wahren Energiereserven einer Volkswirtschaft in der intelligenten Nutzung eines Fahrzeugparks liegen und nicht in der Erschließung neuer Energierohstoffreserven fossiler oder nuklearer Brennstoffe. Aus dieser Überlegung folgt das Konzept gemäß Fig. 17:

Fig. 17 zeigt in vier Unterfiguren 17.1 bis 17.4 das Konzept eines Fahrzeugantriebes und die energetisch sinnvolle Nutzung des Kraftfahrzeuges. Fig. 17.1 zeigt das Blockschaltbild eines Fahrzeugantriebes, der über einen Behälter mit flüssi­ ger Luft AIR-liq verfügt, die den Kältepol für den Betrieb der Kältekraftmaschine KKM darstellt. Diese treibt einen Generator GEN zur Stromerzeugung, wobei der generierte Strom über einen Schalter SW entweder an einen Elektromotor zur Fortbewegung des Fahrzeuges abgegeben, oder aber über eine geeignete Verbindung in ein Stromnetz NETZ eingespeist wird. Gemäß Fig. 17.2 und 17.3 befindet sich das Fahrzeug entweder im Betriebszustand FAHREN oder im Betriebszustand STROM- ERZEUGEN. Das Fahrzeug kann also seine Standzeit energie­ wirtschaftlich sinnvoll nutzen und ein öffentliches Stromnetz oder ein Gebäude mit Strom versorgen. Da der Strom in der Regel dort benötigt wird, wo sich Menschen aufhalten, und die Menschen sich in der Regel nicht weit von ihren Kraftfahr­ zeugen aufhalten, ist es sinnvoll, Parkplätze mit der nötigen Infrastruktur zu versehen, damit Kraftfahrzeuge während der Standzeit Strom erzeugen und in ein Netz einspeisen können. Dieses Konzept eines Parkplatzkraftwerks ist in Fig. 17.4 dargestellt. Ein solches Kraftwerk wäre insbesondere Vorteil­ haft bei der Versorgung von Bürogebäuden, in denen Pendler sich frühmorgens bei Arbeitsbeginn versammeln, um sie abends wieder zu verlassen. Während der Arbeitszeit könnten die geparkten Kraftfahrzeuge dann einen wesentlichen Anteil zur Bereitstellung des benötigten Stroms liefern.

Abschließend umfaßt die Erfindung das Konzept eines Energie­ wirtschaftssystems, das die Versorgung des Menschen nachhaltig und ohne Beeinträchtigung zukünftiger Generationen sicherstellen kann. Das Konzept wird anhand von Fig. 18 erläutert:

Fig. 18 zeigt das Konzept für ein Energiewirtschaftssystem, das die Versorgung des Menschen mit Wasser, Strom, Transport, Wärme und Kälte langfristig und nachhaltig sichern kann und geeignet ist, die latente Bedrohung des Klimas mit allen nachteiligen Folgen zu reduzieren, die durch die Verwendung von Wärmekraftmaschinen und Kältemaschinen entstanden ist. Kern des Konzeptes ist der Einsatz von Kältekraftmaschinen vom Typ KKM.C mit Luft als Arbeitsmedium des Dampfkreispro­ zesses, welche einen Behälter mit flüssiger Luft als Kältepol beinhalten. Diese Maschinen erzeugen flüssige Luft aus einem Strom von zugeführter warmer Umgebungsluft und erzeugen dabei elektrischen Strom. Die produzierte flüssige Luft ist dann Grundlage weiterer energetisch vorteilhafter Anwendungen. Zum einen ist sie Grundlage für die Entsalzung von Meerwasser durch Gefrierprozesse, wobei in einer Entsalzungsanlage DESAL kalte Luft, Süßwasser und elektrischer Strom erzeugt werden.

Kalte Luft kann zur Klimatisierung von Gebäuden verwendet werden. Zum anderen kann flüssige Luft weiterhin für den Antrieb von Fahrzeugen eingesetzt werden, indem sie unter Zugabe von Wärme aus der Umgebung verdampft und mittels einer Antriebsmaschine MOTOR in die Antriebsenergie für Transport­ mittel umgesetzt wird (Auto, Flugzeug, Schiff etc.). Dabei steht das Symbol MOTOR für eine beliebige Antriebsmaschine. Die benötigte Heiz- und Prozeßwärme für Anwendungen in Haus­ halt, Gebäuden oder Industrie kann jederzeit über bekannte elektrothermische Verfahren aus dem elektrischen Strom erzeugt werden. Damit können Süßwasser, Strom, Transport, Wärme und Kälte unabhängig von fossilen Energieträgern umweltgerecht, nachhaltig und bedarfsgerecht erzeugt werden, wobei ausschließlich kalte Luft als Abgas in die Umgebung gelangt.

Aus der Darstellung wird ersichtlich, daß die Kältekraft­ maschine einen neuen Weg in der Gestaltung zukünftiger Energie­ wirtschaftssysteme ermöglicht, die eine in den nächsten 50 Jahren voraussichtlich auf 10 Milliarden Individuen anwachsende Population des Menschen auf der Erde versorgen können müssen.

Claims (47)

1. Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie unter Verwendung eines rechtsläufigen Dampfkreispro­ zesses in dem eine Stoffmenge S1 eines fluiden Arbeitsmittels als Flüssigkeit von einem niedrigen auf einen hohen Druck gepumpt wird, bei hohem Druck unter Wärmezufuhr verdampft, unter Abgabe von Wellenarbeit auf niedrigen Druck entspannt und durch Kondensation wieder verflüssigt wird, wodurch sich der Kreisprozeß schließt, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfkreisprozeß bei einem zwischen dem hohen und dem niedri­ gen Druck liegenden Zwischendruck durch vollständige Entnahme der Stoffmenge S1 bei diesem Zwischendruck vorzeitig geschlossen wird, wodurch ein erster rechtsläufiger Teilprozeß zwischen dem hohen Druck und dem Zwischendruck entsteht, dessen Nutzarbeit in einem Speicherprozeß in potentielle Energie gewandelt wird, indem der Speicherprozeß die Stoffmenge S2 eines fluiden Arbeitsmittels vom niedrigen Druck des Dampfkreisprozesses auf den Zwischendruck pumpt, bei dem dann die Stoffmenge S1 mit der Stoffmenge S2 gemischt und die gemischte Stoffmenge unter Abgabe von Wellenarbeit auf den niedrigen Druck entspannt wird, wodurch aus dem Speicherprozeß ein zweiter rechtsläufiger Kreisprozeß zwischen dem niedrigen Druck und dem Zwischendruck entsteht, in dem ein Ausgleich thermischer Energie im dreidimensionalen Strömungs- und Temperaturfeld der gemischten Stoffmenge erfolgt und der Ausgleich thermischer Energie ohne die flächenhaft definierte Geometrie eines Wärmetauschers zwischen den beteiligten Stoffmengen S1 und S2 im Spektrum der statistisch verteilten Molekülgeschwindigkeiten zur Kondensation der Stoffmenge S1 führt, die abschließend zurück in den Dampfkreisprozeß gefördert wird, wodurch sich der zweite Kreisprozeß schließt, und die Stoffmenge S1 unter wiederholter Änderung ihres Aggregatzustandes die Abwärme beider Kreisprozesse zyklisch innerhalb einer geschlossenen Systemgrenze transportiert, wobei die Stoffmengen S1 und S2 stetig sich ändernde Teilmengen der im Dampfkreisprozeß und im Speicherprozeß befindlichen Arbeitsmittel sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherprozeß ein stets flüssiges Arbeitsmedium enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherprozeß ein stets gasförmiges Arbeitsmedium enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Speicherprozesse mit je einem flüssigen und einem gasförmigen Arbeitsmittel vorhanden sind.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die obere und untere Prozeßtemperatur des Dampfkreisprozesses über der Umgebungstemperatur liegen.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Prozeßtemperatur des Dampfkreisprozesses über, und die untere Prozeßtemperatur des Dampfkreisprozesses unter der Umgebungstemperatur liegen.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die obere und untere Prozeßtemperatur des Dampfkreisprozesses unter der Umgebungstemperatur liegen.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsmittel der möglichen thermodynamischen Prozesse wie folgt kombiniert sein können:
wobei die mit A, B und C bezeichneten Stoffgruppen reine Stoffe oder Stoffgemische aus reinen Komponenten sind:

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizwärme für den Dampfkreisprozeß ohne Stoffaustausch mit der Umgebung durch die flächenhafte Wand eines Wärmetauschers übertragen wird.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizwärme für den Dampfkreisprozeß einem Stoffstrom entnommen wird, wobei dieser Stoffstrom zeitweise als Arbeitsmittel an dem Verfahren teilnimmt und nach der Teilnahme an dem Verfahren mit geringerer Temperatur zurückgegeben wird.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Verfahren nach Anspruch 1 mit jeweils eigenen Druck-, Temperatur- und Stoffwerten durch thermische oder stoffliche Kopplung hintereinandergeschaltet und damit kaskadiert werden.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein als Wärmeträger übernommener gasförmiger Stoffstrom durch die Teilnahme als Arbeitsmittel an dem Verfahren kondensiert und das Kondensat für eine weitere energetische Nutzung gespeichert wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der als Wärmeträger übernommene gasförmige Stoff atmosphärische Luft ist.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die gespeicherte flüssige Luft durch Erhitzen erneut verdampft wird und nach Abgabe von Nutzarbeit erneut in die Atmosphäre gelangt.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die verdampfte flüssige Luft vor Abgabe in die Atmosphäre zur Kühlung oder Klimatisierung verwendet wird.

16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeträger zur Verdampfung der flüssigen Luft ebenfalls atmosphärische Luft ist.

17. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeträger zur Verdampfung der flüssigen Luft flüssiges Wasser ist.

18. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeträger zur Verdampfung der flüssigen Luft flüssiges Salzwasser ist.

19. Verfahren nach Anspruch 17 und 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser durch Wärmeabgabe an die zu verdampfende flüssige Luft teilweise gefriert.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die abgegebene Wellenarbeit zur Erzeugung von elektrischem Strom verwendet wird.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die abgegebene Wellenarbeit für den mechanischen Antrieb einer Arbeitsmaschine oder eines Fahrzeugs verwendet wird.

22. Kältekraftmaschine zur Umsetzung des Verfahrens nach Anspruch 9 ohne Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine mindestens die Funktionsbausteine Kessel, Turbine.1, Verdichter, Mischkammer, Turbine.2, Zentrifugalseparator, Generator und Pumpe enthält.

23. Kältekraftmaschine nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß flüssiges Arbeitsmittel durch Wärmezufuhr im Kessel bei hohem Druck verdampft und anschließend über eine Turbine.1 unter Abgabe von Wellenarbeit auf Zwischendruck entspannt wird, die Wellenarbeit von Turbine.1 zum Antrieb des Verdichters dient, der gasförmiges Arbeitsmittel aus dem Zentrifugalseparator von niedrigem Druck ansaugt und auf Zwischendruck verdichtet, die Gasströme aus Turbine.1 und Verdichter in der Mischkammer bei Zwischendruck gemischt und über die Turbine.2 unter Abgabe von Wellenarbeit an den Generator entspannt werden, bei der Entspannung ein Teil des Arbeitsmittels als Nebel kondensiert, wobei der Nebel im Zentrifugalseparator bei niedrigem Druck vom Gas getrennt und als Flüssigkeit über die Pumpe in den Kessel auf hohen Druck gefördert wird.

24. Kältekraftmaschine nach Anspruch 22 und 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsbausteine Turbine.1, Verdichter und Mischkammer durch einen Dampfstrahlverdichter ersetzt sind.

25. Kältekraftmaschine nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das bei hohem Druck im Kessel verdampfte Arbeitsmittel als Treibdampf des Dampfstrahlverdichters dient, der gasförmiges Arbeitsmittel aus dem Zentrifugalseparator ansaugt und beide Gasströme bei Zwischendruck mischt, wonach das Mischgas über die Turbine unter Abgabe von Wellenarbeit an den Generator auf niedrigen Druck entspannt wird.

26. Kältekraftmaschine nach Anspruch 9 ohne Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine mindestens die Funktionsbausteine Kessel, Turbine.1, Pumpe.1, Mischkammer, Turbine.2, Zentrifugalseparator, Generator und Pumpe.2 enthält.

27. Kältekraftmaschine nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß flüssiges Arbeitsmittel durch Wärmezufuhr im Kessel bei hohem Druck verdampft und anschließend über eine Turbine.1 unter Abgabe von Wellenarbeit auf Zwischendruck entspannt wird, die Wellenarbeit von Turbine.1 zum Antrieb der Pumpe.1 dient, die flüssiges Arbeitsmittel aus dem Sumpf des Zentrifugalseparators bei niedrigem Druck ansaugt und auf Zwischendruck verdichtet, die Stoffströme aus Turbine.1 und Pumpe.1 in der Mischkammer bei Zwischendruck gemischt und über die Turbine.2 unter Abgabe von Wellenarbeit an den Generator entspannt werden, wobei während Entspannung das gasförmige Arbeitsmittel von der Flüssigkeit absorbiert wird und kondensiert, wobei eventuell vorhandenes Restgas im Zentrifugalseparator bei niedrigem Druck von der Flüssigkeit getrennt wird, die dann von Pumpe.2 auf hohen Druck in den Kessel und von Pumpe.1 auf Zwischendruck in die Mischkammer gefördert wird.

28. Kältekraftmaschine nach Anspruch 26 und 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsbausteine Turbine.1, Pumpe.1 und Mischkammer durch eine Dampfstrahlpumpe ersetzt sind.

29. Kältekraftmaschine nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß das bei hohem Druck im Kessel verdampfte Arbeitsmittel als Treibdampf des Dampfstrahlpumpe dient, die flüssiges Arbeitsmittel aus dem Sumpf des Zentrifugalseparators ansaugt und beide Stoffströme bei Zwischendruck mischt, wonach die Mischung über die Turbine unter Abgabe von Wellenarbeit an den Generator auf niedrigen Druck entspannt wird.

30. Kältekraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine mindestens die Funktionsbausteine Turbine.1, Verdichter.1, Wärmetauscher, Kessel, Turbine.2, Verdichter.2, Mischkammer, Turbine.3, Generator, Zentrifugalseparator, Pumpe, Ventil und Sammelbehälter hat.

31. Kältekraftmaschine nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß ein gasförmiger Stoffstrom über die Turbine.1 in den Wärmetauscher gelangt wo er unter Abgabe von Wärme durch das Arbeitsmittel im Kessel gekühlt und anschließend durch den von Turbine.1 angetriebenen Verdichter.1 auf Mischungsdruck komprimiert wird, während das Arbeitsmittel im Kessel bei hohem Druck durch Wärmeaufnahme aus dem zugeführten Gasstrom verdampft und über die Turbine.2 auf Mischungsdruck expandiert, die Turbine.2 einen Verdichter.2 antreibt, der gasförmiges Arbeitsmittel aus dem Zentrifugalseparator von niedrigem Druck auf Mischungsdruck komprimiert, die abgegebenen Stoffströme aus Verdichter.1, Turbine.2 und Verdichter.2 in der Mischkammer bei Mischungsdruck zusammengeführt und über die Turbine.3 auf niedrigen Druck unter Abgabe von Wellenarbeit an den Generator entspannt werden, wobei der Mengenanteil des zugeführten Gasstromes und des verdampften Arbeitsmittels als Nebel kondensieren, der Nebel im Zentrifugalseparator vom Gas getrennt wird, und der verflüssigte Anteil des zugeführten Gasstroms über ein Ventil in einem Sammelbehälter für weitere Nutzung gespeichert werden, während der Anteil des im Kessel verdampften und als Nebel verflüssigten Arbeitsmittels über die Pumpe zurück in den Kessel gepumpt wird.

32. Kältekraftmaschine nach Anspruch 30 und 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Bausteine Turbine.1, Verdichter.1, Turbine.2, Verdichter.2 und Mischkammer durch einen Dampfstrahlverdichter ersetzt wurden.

33. Kältekraftmaschine nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfstrahlverdichter einen Gasstrom durch einen Wärmetauscher ansaugt, der Gasstrom im Wärmetauscher durch Wärmeabgabe gekühlt wird, die Wärme zur Verdampfung eines flüssigen Arbeitsmittels bei hohem Druck in einem Kessel dient, der entstehende Dampf als Treibdampf des Dampfstrahl­ verdichters dient, der einen zweiten Gasstrom aus dem Zentrifugalseparator bei niedrigem Druck ansaugt und alle drei Gasströme mit Mischungsdruck den Dampfstrahlverdichter verlassen und über die Turbine unter Abgabe von Wellenarbeit an einen Generator auf unteren Druck entspannt werden.

34. Luftverflüssigungsanlage nach einem der Ansprüche 13 und 30 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß der als Wärmeträger dienende Stoffstrom atmosphärische Luft ist, daß das Arbeits­ mittel des Dampfkreisprozesses der Kältekraftmaschine eben­ falls Luft ist, und daß die atmosphärische Luft verflüssigt und in einem Sammelbehälter für eine weitere energetische Nutzung gespeichert wird.

35. Antriebsmaschine nach Anspruch 14 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine mindestens die Funktionsbau­ steine Sammelbehälter, Wärmetauscher, Turbine.1, Verdichter, Mischkammer, Turbine.2 und Generator enthält.

36. Antriebsmaschine nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß atmosphärische Luft über einen Verdichter durch einen Wärmetauscher angesaugt wird, in dem sie ihre Eigenwärme an die flüssige Luft im Sammelbehälter abgibt, die flüssige Luft im Sammelbehälter bei hohem Druck verdampft und über eine Turbine.1 auf Mischungsdruck entspannt wird, die Turbine.1 den Verdichter antreibt, welcher die angesaugte atmosphäri­ sche Luft auf Mischungsdruck verdichtet, und die Luftströme aus Turbine.1 und Verdichter in einer Mischkammer zusammen­ geführt und nach Expansion auf Umgebungsdruck über die Turbine.2 unter Abgabe von Wellenarbeit an den Generator in die Umgebung abgegeben werden.

37. Kältestrahltriebwerk nach Anspruch 14 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Triebwerk mindestens die Funktionsbausteine Sammelbehälter, Wärmetauscher und Dampfstrahlverdichter enthält.

38. Kältestrahltriebwerk nach Anspruch 37, dadurch gekennzeich­ net, daß der Dampfstrahlverdichter atmosphärische Luft durch einen Wärmetauscher ansaugt, in dem sie ihre Eigenwärme an die flüssige Luft im Sammelbehälter abgibt, die flüssige Luft im Sammelbehälter bei hohem Druck verdampft und als Treibdampf des Dampfstrahlverdichters dient, in dem beide Luftströme gemischt und durch Entspannung auf Umgebungsdruck beschleunigt werden, wodurch sich eine Rückstoßwirkung ergibt.

39. Eismaschine nach Anspruch 14, 17 und 19, dadurch gekennzeich­ net, daß die Maschine mindestens die Funktionsbausteine Sammelbehälter, Wärmetauscher, Wasserbecken, Turbine und Generator hat.

40. Eismaschine nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssige Luft aus dem Sammelbehälter durch den Wärmetauscher im Wasserbecken geleitet wird, dort dem Wasser Wärme entzieht, bei hohem Druck verdampft und über die Turbine unter Abgabe von Wellenarbeit an den Generator in die Atmosphäre entlassen wird, wobei das Wasser teilweise gefriert, das entstandene Eis aufschwimmt und dem Wasserbecken entnommen werden kann.

41. Süßwassergewinnungsanlage nach den Ansprüchen 14, 17 bis 19, 39 und 40, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Wasserbecken entnommene Eis anschließend wieder aufgetaut wird.

42. Kältegeysir nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein offenes Rohr senkrecht oder schräg angebracht eine Höhendifferenz überspannt, und daß am unteren Ende des Rohres flüssiges Wasser enthalten ist, in welches flüssige Luft eingebracht und mit dem flüssigen Wasser vermischt wird.

43. Antriebsmaschine nach einem der Ansprüche 22, 26, 30, 35 und 39, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des Funktionsbau­ steins Generator eine Maschine zur direkten Nutzung von Wellenarbeit eingesetzt wird.

44. Klimaanlage nach Anspruch 15 und einem der Ansprüche 35 bis 42, dadurch gekennzeichnet, daß der durch Verdampfung von flüssiger Luft entstandene Kaltluftstrom vor Abgabe in die Atmosphäre zur Klimatisierung verwendet wird.

45. Fahrzeugantrieb nach Anspruch 7 und 22 oder 7 und 26 oder 7 und 30, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fahrzeug eine Kältekraftmaschine mit Luft als Arbeitsmittel des Dampfkreisprozesses enthält, die Kältekraftmaschine einen Generator zur Stromerzeugung antreibt und der Strom wahlweise über einen Elektromotor in Fahrzeugantrieb umgewandelt oder über eine geeignete Verbindung in ein Stromnetz eingespeist werden kann.

46. Parkplatzkraftwerk nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet, daß eine für das Abstellen von Kraftfahrzeugen vorgesehene Fläche mit Einspeisepunkten für ein Stromnetz versehen ist, die temporär mit einem abgestellten Fahrzeug verbunden werden können, das über einen Antrieb nach Anspruch 45 verfügt, wobei das Fahrzeug während seiner Standzeit Strom erzeugen und in das von dem Parkplatzkraftwerk versorgte Stromnetz einspeisen kann.

47. Energiewirtschaftssystem unter Anwendung der Ansprüche 1 bis 46, dadurch gekennzeichnet, daß Kältekraftmaschinen Luft als Arbeitsmittel verwenden und flüssige Luft im Inneren der Kältekraftmaschine den Kältepol zum Betrieb der Kreisprozesse darstellt, daß atmosphärische Luft durch Kältekraftmaschinen unter Abgabe von Wellenarbeit verflüssigt und gespeichert wird, daß die dann gespeicherte flüssige Luft einer weiteren energetischen Nutzung zugeführt wird, indem sie zum einen als Betriebsstoff von Meerwasserentsalzungsanlagen verwendet wird, in denen Süßwasser aus Meerwasser durch Gefrieren gewonnen wird, wobei in diesen Anlagen neben Süßwasser auch elektrischer Strom und kalte gasförmige Luft erzeugt werden, und indem sie zum anderen als Betriebsstoff von Antriebs­ maschinen verwendet wird, die Nutzarbeit für Arbeits- oder Transportzwecke erzeugen, indem sie flüssige Luft mittels Wärmequellen von Umgebungstemperatur verdampfen und erneut in die Atmosphäre entlassen, daß kalte Luft als Kältemittel der Kälte- und Klimatechnik verwendet wird, und daß schließlich Wärme für Heiz- und Prozeßzwecke oberhalb der Umgebungs­ temperatur durch elektrothermische Verfähren erzeugt wird.