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1. Technisches Gebiet:
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Thermodynamik – Wärmekraftmaschinen. Bei der Erfindung handelt es sich um die anlagentechnische Nutzung eines thermodynamischen Verfahrens/Kreisprozesses.
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2. Stand der Technik:
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Geschlossene Kreisprozesse zur Umwandlung von Wärmeenergie in Form von äußerer Wärmezufuhr in mechanische Energie gibt es beispielsweise im Dampf- bzw. Rankineprozess und im Stirlingprozess.
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Rankineprozesse verwenden den Aggregatzustandswechsel des Arbeitsfluides im Prozess. Das Arbeitsfluid wird in seinem flüssigen Aggregatzustand komprimiert, dann verdampft, gegebenenfalls überhitzt und in dampfförmigem Aggregatzustand über einer Turbine entspannt. Das verwendete Arbeitsmedium ist meistens Wasser, es werden jedoch auch organische Arbeitsmedien verwendet, die bei geringerer Temperatur verdampfen. Aufgrund der Notwendigkeit definierter Aggregatzustände sind engere Grenzen der Betriebsparameter Druck und Temperatur einzuhalten, wodurch die Wärmezufuhr bestimmte Temperaturen und Leistungen erbringen und exakt gesteuert werden muss. Durch die Druckpumpen in der Flüssigphase wird Hilfsenergie verbraucht. Rankineprozesse arbeiten erst ab größeren Leistungen wirtschaftlich.
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Im Stirlingprozess wird ein gasförmiges Arbeitsmedium (meist Helium) ohne Änderung des Aggregatzustandes verwendet, welches durch einen Verdrängerkolben zwischen Wärmezu- und -abfuhrseite transportiert wird und dabei Nutzarbeit im Arbeitskolben verrichtet. Unter anderem interne Reibungsverluste von Verdränger- und Arbeitskolben und Toträume reduzieren den realen Wirkungsgrad gegenüber dem idealen Carnot Wirkungsgrad. Leckverluste des Arbeitsgases durch die Kolbendichtungen sind nicht gänzlich vermeidbar, so das ein Stirlingmotor nicht vollständig wartungsfrei arbeitet. Stirling Motoren können bereits in sehr kleinen Leistungsbereichen (Mikro KWK Anlagen) betrieben werden, erreichen aber meist nur geringe mechanische/elektrische Wirkungsgrade durch Toträume und interne Reibungsverluste.
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Beide Prozesse können in entsprechenden Anlagen Solarenergie in elektrische Energie umwandeln. Die Nutzung von gesteuerten Spiegeln zur Steuerung der Wärmezufuhr kann jedoch eine Gefahr für Vögel und die Luftfahrt darstellen. Die Nutzung von Rinnenspiegeln über ein Wärmeübertragermedium wie Thermalöl bbringt weitere Verluste durch die indirekte Wärmeübertragung und den Transport und beschränkt den Einsatzbereich auf Temperaturen unterhalb des Siedepunktes des Wärmeübetragungsfluides, was sich ungünstig auf den Carnot Wirkungsgrad auswirkt.
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Eine direkte Umwandlung von Solarenergie in elektrische Energie findet in Photovoltaikanlagen (PV Anlagen) statt. Der spezifische Energieaufwand zur Herstellung der Siliziumkristallplatten und die Investitionskosten für Photovoltaikanlagen sind größer als bei der Nutzung von Rankine oder Stirling Prozessen und verzögern auch durch den niedrigen Wirkungsgrad die energetische bzw. wirtschaftliche Amortisation.
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Eine durch einen Sonnenkollektor angetriebene Gasturbine ist in Offenlegungsschrift
DE 101 50 997 A1 beschrieben. Diese Anlage scheint sehr wartungsarm betrieben werden zu können, ist aber auf die Nutzung von Solarenergie beschränkt und verwendet einen Solarkollektor zur Erwärmung des Arbeitsgases, wodurch die erreichbaren Temperaturen nicht hoch genug ausfallen, um einen guten Carnot Wirkungsgrad zu erreichen. Durch den notwendigen Verdichter wird ein großer Teil der gewonnenen Energie intern verbraucht.
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3. Der Erfindung zugrunde liegende Problem
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Für die Energiegewinnung aus z. B. Solarenergie oder anderen regenerativen Wärmequellen – aber auch bei Restwärmenutzung von konventionellen und kerntechnischen Prozessen in verschiedensten Systemen – ist die Flexibilität in der Verwendung der Wärmequelle und deren erreichbaren Temperaturen für das Einsatzspektrum entscheidend. Für den erfolgreichen Einsatz und die Amortisation einer Wärmekraftmaschine sind Energieaufwand und Kosten der Herstellung ebenso wichtig wie ein guter Wirkungsgrad. Ferner ist für den weltweiten Einsatz z. B. in schwer zugänglichen Wüstengegenden oder für den Einsatz in Unterseebooten, Schiffen oder Raumfahrzeugen die Wartungsfreiheit ein sehr wichtiges Kriterium.
- – Wo hohe Temperaturen erreicht werden können, sollen diese genutzt werden, um den Carnot Wirkungsgrad zu steigern.
- – Wo Wärme auf niedrigem Temperaturniveau zur Verfügung steht, soll auch dieses nutzbar gemacht werden können, wenn es sich wirtschaftlich noch lohnt, beispielsweise wenn die Wärme ansonsten sowieso ungenutzt bliebe.
- – Der Betrieb soll möglichst störungs- und wartungsfrei ablaufen und wenig bis keine externe Hilfsenergie (beispielsweise für den Betrieb von Druckpumpen) benötigen, um zum einen die Betriebskosten niedrig zu halten und damit die energetische du wirtschaftliche Amortisationszeit zu verkürzen und zum anderen eine hohe Versorgungssicherheit zu erreichen.
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4.–6. Erfindung, gewerbliche Anwendbarkeit und vorteilhafte Wirkung auf den Stand der Technik
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Der Kreisprozess hat in verschiedenen Konstellationen verschiedene Vorteile gegenüber dem Stand der Technik:
- 1) Wartungsfreiheit:
Mit dem geschlossenen Gas Kreisprozess lassen sich Wärmekraftmaschinen realisieren, die mit Ausnahme der Turbine kaum bewegliche Teile haben, bei innen liegender Welle und außen liegender Generatorwicklung ohne Dichtung auskommen und so hermetisch dicht sein können, wodurch kein Arbeitsgas mehr über bewegte Dichtungen entweichen kann.
- 2) Herstellungsaufwand und Anlagenamortisation:
Falls Wartungsfreiheit nur eine untergeordnete Rolle spielt und der Herstellungsaufwand entscheidend ist, kann die Turbine mit Generator auch konventionell über eine Wellendichtung aus dem drucktragenden Gehäuse herausgeführt werden. Die Gasbehälter, Ventile, Rohrleitungen und sonstige Anbauteile können aus verschiedensten, dem Anlagendruck und der Anlagentemperatur angepassten Werkstoffen bestehen und sind mit geringem Aufwand herstell- bzw. lieferbar. Als Turbine und Generator kann ebenfalls vorhandene Technik (z. B. Expander-Generatoren, Druckluftmotoren) genutzt werden. Sowohl das eingesetzte Kapital als auch die eingesetzte Primärenergie zur Realisierung solch einer Anlage sind gering und amortisieren sich durch die Stromerzeugung schneller als beispielsweise Photovoltaikanlagen.
- 3) hoher Carnot Wirkungsgrad:
Sind in der Wärmequelle hohe Temperaturen erreichbar, wie beispielsweise in einem Parabolrinnenspiegel für Solarenergie, so kann das Arbeitsgas ebenfalls eine hohe obere Prozesstemperatur erreichen. Nach der Entspannung kühlt das Gas aufgrund des höheren Temperaturunterschiedes zur Umgebung beziehungsweise der zu versorgenden Wärmesenke bei Kraft Wärme Kopplung schneller ab, wodurch eine bessere Temperaturdifferenz zwischen oberer und unterer Prozesstemperatur erreicht wird. Die drucktragenden Werkstoffe müssen den Auslegungstemperaturen und -drücken entsprechend dimensioniert sein und begrenzen die erreichbaren oberen Prozesstemperaturen.
- 4) Flexible Nutzung von Wärme:
Der Prozess kann mit geringen ebenso wie hohen Temperaturen arbeiten, er kann geringe und große Wärmeleistungen in elektrische Energie umwandeln. Der Prozess ist nicht durch die Einhaltung definierter Aggregatzustände des Arbeitsfluides begrenzt. Da der Wirkungsgrad mit sinkender Temperatur schlechter wird, bis die internen Verluste größer als die zugeführte Energie werden, gibt es wie bei jeder Wärmeraftmaschine Untergrenzen beim Arbeitsverhältnis.
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7. Beschreibung anhand eines Ausführungsbeispiels
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Die einfachste Form der geschlossenen Gas Turbinen Kraftanlage besteht aus der Turbine mit Generator und zwei korrespondierenden Gasbehältern, die jeweils abwechselnd Druck- und Entspannungsraum sind.
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In 1 und 2 sind die Behälter mit Verrohrung und Ventilen sowie die Turbine mit Generator dargestellt.
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In 3 ist der Kreisprozess im p, h Diagramm dargestellt. Folgt man den thermodynamischen Zustandsänderungen rechtsherum (rechtsdrehender Kreisprozess), so erhält man den geschlossenen Kreisprozess der Wärmekraftmaschine. Der linksdrehende Kreisprozess ist entsprechend der Wärmepumpenprozess. Die Turbine läuft im einfachsten Aufbau (mit zwei Gasbehältern) diskontinuierlich. Nach der Entspannung erfolgt eine Phase der Wärmezu- bzw. -abfuhr, in der der Druck erst einmal auf- bzw. abgebaut werden muss, bevor ausreichend Arbeitsdruckdifferenz zur Verfügung steht, um den nächsten Entspannungsvorgang zu beginnen. Ein nachgeschalteter Wechselrichter kann den Strom mit dem Verbundnetz synchronisieren und einspeisen. Die Störung der Netzfrequenz durch diese diskontinuierliche Einspeisung gleicht sich statistisch schnell aus, wenn viele Kleinanlagen ins Verbundnetz einspeisen. Für Insellösungen bzw. die kontinuierliche Deckung des Eigenbedarfes kann ein Pufferakkumulator die Zeiten des Differenzdruckaufbaus überbrücken. Beim Anschluss von mehreren korrespondierenden Gasbehältern an eine gemeinsam genutzte Turbine kann die Turbine bei entsprechender Auslegung der Komponenten und passender Regelungstechnik kontinuierlich laufen. Wenn Druck- und Entspannungsraumpaar „A” im Druckaufladezyklus sind, findet im Paar „B” die Entspannung über die gemeinsame Turbine statt und umgekehrt. Es sind hierfür 4 Gasbehälter notwendig, wobei ein Aufbau mit 3 Gasbehältern theoretisch denkbar ist.
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Nachfolgend ist der einfachste Aufbau des Kreisprozesses beschrieben:
Der Kreisprozess läuft in zwei korrespondierenden Gasbehältern I und II zueinander versetzt ab. Aufgrund der gleichzeitigen Betrachtung beider Druckräume ist die Beschreibung des Kreisprozesses in 4 Zyklen unterteilt, die die jeweiligen Zustandsänderungen (bezogen auf 3) ihrer korrespondierenden Druckräume darstellen.
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Zyklus 1
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- Behälter I: 3-4 Isochore Wärmeabgabe
- Behälter II: 1-2 Isochore Wärmezufuhr
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Alle Ventile sind geschlossen. Die Turbine steht. Behälter II wird aufgeheizt. Das eingeschlossene Gas baut durch die Wärmezufuhr einen Druck auf, während das ebenfalls eingeschlossene Gas in Behälter I durch Wärmeabfuhr Druck abbaut. Es entsteht ein Differenzdruck zwischen den Behältern, berechenbar beispielsweise für das ideale Gas nach dem Gesetz von Amontons, bzw. dem 2. Gesetz von Gay-Lussac (Formel 1):
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Für den folgenden Zyklus 2 ist Behälter II der Druckspeicher und Behälter I der Entspannungsraum.
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Zyklus 2
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- Behälter I: 4-1 Adiabate Verdichtung
- Behälter II: 2-3: Adiabate Expansion
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Nach dem Erreichen einer ausreichenden Arbeitsdruckdifferenz öffnen sich Ventile B und C. Das heiße Gas mit hohem Druck aus Behälter II strömt über die Turbine in den Behälter I mit niedrigem Druck. Die Turbine gibt Arbeit an den Generator ab, wodurch elektrische Energie erzeugt wird. Die Turbine kann ebenso ihre mechanische Arbeit direkt weitergeben, beispielsweise für den Betrieb einer Pumpe oder einer Fördereinrichtung. Das Gas kühlt sich hierbei erstens durch die adiabate Expansion an der Turbine annähernd entsprechend Formel 1 ab und zweitens durch die Durchmischung mit dem Restgas im Behälter I und dessen kühle Behälterwandung, eventuell verstärkt durch einen Regenerator. Der Druck in Behälter I steigt, während der Druck in Behälter II sinkt: Der Gasdruck gleicht sich auf ein gemeinsames Niveau aus.
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Zyklus 3
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- Behälter I: 1-2 Isochore Wärmezufuhr
- Behälter II: 3-4 Isochore Wärmeabgabe
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Alle Ventile sind wieder geschlossen und die Turbine steht. Behälter I wird nun aufgeheizt und Behälter II gekühlt. Dadurch steigt der Druck in Behälter I, während er in Behälter II sinkt, bis die nötige Arbeitsdruckdifferenz erneut erreicht ist. In diesem Zyklus ist Behälter I der Druckspeicher und Behälter II der Entspannungsraum, umgekehrt zu Zyklus 1.
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Zyklus 4
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- Behälter I: 2-3 Adiabate Expansion
- Behälter II: 4-1 Adiabate Verdichtung
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Das Gas strömt aus dem Druckspeicher Behälter I über das geöffnete Ventil A in den Turbineneintritt, entspannt sich durch die Turbine, die dadurch die Fluidenergie in mechanische Energie umwandelt, und strömt weiter über Ventil D in den Behälter II. In Zyklus 2 und in Zyklus 4 strömt das Fluid in gleicher Richtung durch die Turbine, was durch die Rohrleitungsführung und die Ventilsteuerung realisiert wird. Das heisse Gas kühlt sich zum einen durch die Expansion an der Turbine entsprechend Formel 1 (idealisiert) ab, zum anderen durch die Durchmischung mit dem gekühlten Gas und die Abkühlung an der kühlen Behälterwand und evtl einem Regenerator in dem in Zyklus 3 gekühlten Behälter II.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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