DE19921471A1 - Kältekraftmaschine - Google Patents
KältekraftmaschineInfo
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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 (Toben bzw. Tunten) ab und kann
den Wert
η = 1-Tunten/Toben
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.
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
(Ekin3kT/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 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 (Ekin = 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.
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.
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:
ηm 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.
ηm 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:
ηm(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.
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.
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.
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:
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.
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