DE2649363A1 - Verfahren zur umwandlung von waerme in mechanische arbeit - Google Patents

Description

• Verfahren zur Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umwandeln von Wärme in mechanische Arbeit durch isotherme Expansion mit nachfolgenderer Überhitzung eines Kältemittels im geschlossenen Kreislauf.
• Ein Verfahren dieser Art bezweckt die Umwandlung von Wärme energie in mechanische Energ-ie,wobei ein möglichst großer S»zentsatz an Nutzwärme in die andere Energieart verwandelt werden soll,um mit geringen Wärmeverlusten einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen.
• Es sind im Laufe der bisherigen technischen Entwicklung Lösungen bekannt und in Gebrauch genommen worden, wie sie als Kolben-Dampfmaschine, -Verbrennungsmotore, -Verdrängermaschinen ( StirlingEotor) , Rotationskolben- und -Kammermotore, Dampf-und Verbrennungsturbinen, kurzum als wärmeenergieumformende Kraftmaschinen,heute bekannt sind. - Verfahrensmäßig unterscheidet man bei diesen Anlagen solche mit einem " offenem Kreislauf" und auch denjenigen mit einem sogenannten " halboffenen Kreislauf " ( meist Verbundsystem ) als- des weiteren auch die mit einem hermetisch gekapselten System bei angenäherterer Entropiegleichheit im " geschlossenen Kreislauf" , Bei allen Arten dieser Maschinen liegt hinsichtlich ihres jeweiligen Teilprozeßablaufes, meist immer eine mehr oder weniger große Abweichung vom theoretisch gunstigst arbeitenden Carnotschen Kreisprozeß vor,wodurch der tatsächlich erreichte Wirkungsgrad fast immer beeinträchtigt wird,bezw. oft aufwendige und kapitalintensive Kompromißlösungen für eine verbesserte gesamte Leistungsbilanz notwendig werden.
• Problematisch bei allen Maschinen dieser Art,ist das Vermeiden von Verlustwärme,da zur Erzielung guter Wirkungsgrade,meist hohe Temperaturen erfarde-rlich sind,diese aber wiederum eine wirksame Wärmedämmung von der Werkstoffseite her begrenzen bzw.
• die mögliche Höchsttemperatur,ist nur bei reduziertem Wirkungsgrad anwendbare Ziel des Verfahrens ist die Lösung: des vorgenannten Problems.
• in der Form,daß die Umwandlung von Wärmeenergie in inechanische Energie in großer Annäherung an die theoretisch günstigsten Teilprozesse nach Carnot vorgenommen wird, sodaß bei der Auswahl eines Kältemittels. al Arbeitsstoff in einem geschlossenem Kreislauf,die mechanische Energie aus eine@ vornehmlich fast isotherm ablaufenden Expansion des Arbeitsmittels gewonnen werden kann und weiter ablaufende Teilprozesse in etwa den adiabatischen Teilprozessen nach Carnot entsprechen bezw. angenähert erreichen; zum andern aber auch die Temperaturbereiche dieses Verfahrens so gewählt werden können, daß die physikalich und technologisch bedingten spez. Werkstoffwerte im Bereich optimaler Größen liegen.
• Erfindungsgemäß. wird diese Aufgabe dadurch gelöst,daß in einem volumenveränderlichen Expansionsraum t 1') u. ( 2') eines ge@@ schlossenen Kreislaufes eine heiße Masse ( 6') u.( 8') Abb. 2 des Arbeitsmittels im Zustand eines überhitzten Gases unter kreisring- bezw. kreisringmantelförmiger Strömungsausbildung ( 6 ) u.( 8') Abb.2 während der Expansion ( 15')Abb.2 durch einen als Innentangente einfließenden Heißgasstrahl ( 6.') u. ( 8) Abb0.2 und eines als Teilmenge von der Kreisring-bzw. Kreisringmantelbahn in tangentialer Richtung abfließenden Heißgasstrahles ( 8')u.( 10') Abb.2 ,eine zweite Masse ( 3'),( 9')u.( 10') Abb.2 desselben Arbeitsmittels von wesentlich geringerer Temperatur im Dampfzustand bzw als Zweiphasengemisch von Gas und Blüssigkeitstropfen nebeneinander vorliegend,durch ihre höhere Strömungsenergie und der dadurch bedingten Injektorwirkung ( 8'),(10') u.
• ( 15t) Abb.2,diese kalter Masse,so von der strömungstechnisch angepassten Expansionsbehälterwand ( 10') ablöst oder auch mitreißt,daß aus der hocherhitzten Gasmasse des Arbeitsmittels und der kälteren 2ten Dampf-oder nebelartigen Masse,durch Vermischen mit dieser,. ein isothermes Dampfpolster ( 15') Abb.2 einer entsprechenden Mischtemperatur gebildet. wird,', welches wiederum zum Teil am inneren Tangentenpunkt t 6')u.( 8t) Abb.2 aus (15') Abb.2 zur weiteren Erwärmung für die Expansio-n und Liberhitzung unter Nutzung der inzwischen durch die Expansionsbehälterwand ( 1') Abb.2 eingebrachten Niedertemperaturwärme = Qnd T , vermischt und zusammengeschlossen wird.
• Um eine Überlagerungsströmung ( 6'),( 8'),( 10')u.( 15') Abb.2 der vorbeschriebenen Art während der Expansion und Uberhitzung aufrecht erhalten zu können,ist es notwendig,daß bei zeitgleicher Bildung von Heißgasmasse und kalter Dampf- bezw.
• Zweiphasenmasse des gleichen Arbeitsmittels,die Strömungsführung innerhalb des Expansionsraumes ( 15') Abb .2, so ausgebildet wird'daß durch eine entsprechende Wärmeisolation ( 3 Abb.1 des Verdrängerkolbenoberteiles ( 2 ) und dessen wulstförmigen Durchmesservergrößerung , unterhalb seiner oberen Stirnfläche,zwischen heißer und kalter Masse,im Zeitablauf der Expansion ( 15') Abb.2 mit nachfolgenderer Überhitzung, ein unmittelbarer Zusammenschluß dieser beiden Massen verhindert wird, um einen zur Kurzschluß " der unterschiedlichen Energiepotentiale zu vermeiden und damit den Anteil der isothermen Expansionsarbeit zu erhöhen, Die mit diesem Verfahren erzielbaren Vorteile,bestehen insbesondere darin,daß das zeitliche Nebeneinander von Teilmassen ( 6'),( 8') und ( 3'),( 9'),( 10') Abb.2 des gleichen Arbeitsmittels in zum Teil verschiedenen Aggregatzuständen bei geeigneterer Strömungsführung ( 6'),( 8') und ( 10'),( 15') Abb.2,die Herstellung eines wirksamen Wärmegefälles mit Hilfe der Überlagerungsströmung ermöglicht und unter dieser Voraussetzung, die mit relativ großer Entropieänderung einhergehende Verdampfung ( 15') Abb.2 in der Hauptsache als isotherme Expansionsarbeit unmittelbar am Ort der eigentlichen Energieumwandlung unter günstigen Bedingungen wirksam werden läßt0 Wird des weiteren ein Kältemittel als hrbeitsmittel eingesetzt, dessen maßgeblichen physikalischen Kenndaten in einem günstigen Bereich um + 273 K liegen, so wird bei einem großen Verhältnis von r/v" ( = Kälteergiebigkeit ) im Zeitablauf der Expansionsarbeit ( 15) Abb.2, eine hohe Energieausbeute ( 121) Abb.2 bei relativ niedri@gerer Arbeitstemperatur möglich.Werkstoffauswahl und Gestaltung einer solchen Maschine ergeben aus diesem Grunde Lösungsmöglichkeiten in konstruktiver und verfahrensmäßiger Hinsicht,die an Kraftmaschinen der herkömmlichen Art nicht zu verwirklichen sind.- Gegenüber den vorbenannten heute bekannten Kraftmaschinenarten ergibt die Umkehrung des Wärme flußes im Bereich der Arbeitszylinderwand ( 1') und der damit verbundenen Wärmepumpenwirkung einen positiven Faktor in der Gesamtenergiebilanz einer solchen Maschine,der von erheblicher Bedeutung sein dürfte,sowie aber auch in letzter Konsequenz,bei allgemeiner Verbreitung und Anwendung, ein ökologischer Faktor von großer Tragweite werden könnte,wenn es sich darum handelt den Wärmehaushalt durch sehr starke Wärmeemissionen betroffenen Siedlungs- und Ballungsräume,auf ein natürliches Maß zurückzuführen. Gegebils. aber auch die notwendige Kuhllast von Kernkraft werken auf diese Weise sinnvoll zu nutzen.- Die Größenordnung dieseSVerfahrensteiles und seine wirtschaftlichen Auswirkungen, lassen sich unschwer an Hand eines " Sankey-Diagrammes " für Wärmekraftmaschinen abschätzen.
• Um das vorbeschriebene Verfahren und eine daraus mögliche Ausführung z.B. als eine Verdrängerkolbenmaschine,eingehend erklären zukönnen, ist in den Schnittzeichnungen der Abb. 1 und der Abb. 2 der Aufbau und das Funktionsschema näher erläutert und dargestellt. Die Schnittzeichnung der Abb. 1 zeigt den veränderlichen Expansionsraum ( 15 ) als Arbeitszylinder ( 1 ) mit dem darin oszillierend geführten Verdrängerkolben ( 2 nebst dem Oberteil mit Wärmeisolierung ( 3 ) zwischen seiner inneren und äußeren Mantelfläche und einem Ringwulst an seiner Stirnseite. In dem aus einem Wärmedämmwerkstoff bestehenden an seiner Innenseite ringmuldenförmig ausgebildeten Zylinderkopf ( 4 )ist zentrisch eine isotherme Wärmequelle ( 5 ) hoher Temperatur und Wärmeflächenbelastung W / cm2 eingelassen z.B. die Kondensationszone eines Wärmerohres engl. = heat pipe oder auch eine Wärmequelle ähnlicher Art,um Wärme hoher Temperatur = Q h T zur Ausbildung und Aufrechterhaltung der Überlagerungsströmung S 6'),( 8') u. ( 10') Abb. 2 des Arbeitsmittels durch am Außendurchmesser des Wärme rohres angebrachte Lamellen bezw.
• Kanäle ( 6 ), zu übertragen, Ein als Ring ( 7 ) aus wärmeisolierendem Werkstoff ausgebildeter Vollzylinder,ist so mit der Innenseite des Zylinderkorfes ( 4 ) verbunden, daß durch eine unterschiedliche Temperatur hervorgerufene Druckdifferenz, zwischen einer heißen Gasmasse ( 6')u. ( 8') Abb.2 im. Zentrum des Expansionsraumes( l Abb.2 und einer kalten nebelartigen Masse( 3),( 9')u.( 10') Abb.2 des gleichen hrbeitsmittels im Bereich von Arbeitszylinderinnenwand( 10'@ Abb.2 und Verdrängerkolbenaußenwand( 3') Abb. 2,über den durch ( 7 ) gebildeten Ringkanal( 8'),eine wärmeenergiereichere sich ausbildende Ringbezw. Ringmantelströmung(6'),( 8')u.( 10') Abb.2 auf die kalte klasse ( 3'),( 9) u.( 10')Abb. 2 einwirkt In dtc ringförmige Einspri@zkammer ( 9') wird durch Einspritzen die charakteristische Schallgeschwindigkeit ( = kritische Geschwindigkeit ) eines Flüssigkeits-Gasgemisches dazu benutzt,um mit geringsten Druck-und Reibungsverlusten die kalte Masse ( 3'),( 9') u.( 10') zu erzeugen. Längsrippen ( 10 ) am Innendurchmesser des Arbeitszylinders( 1 ) als auch eine entsprechende Verrippung ( 11 ) an dessen Außendurchmesser'sowie ein die Wärme gut leitenderer Werkstoff von Arbeitszylinder ( 1 ) ( W / m.K ), ermöglichen den Übergang einer relativ großen Menge an Niedertemperaturwärme Q nd T mit großen Wärmeübergangszahlen α1 und α2 bei erzwungenerer Strömung einet geeigneten Übertragungsmediums an der Außenwand von Arbeitszylinder ( 1 ), wobei sonst kaum nutzbare abgaswärme z. B. aus der Heizzonenerwärmung eines Wärmerohres ( 50) durch offene Flammen oder auch katalytische Verbrennung mit einem Wärmepumpeneffekt die Gesamtwärmebilanz des Verfahrens erheblich verbessern0 ( siehe "Sankey-Diagramm") Für den betriebsmäßigen Ablauf eines Arbeitstaktes wird zweckmäßigerweise im geschlossenen Kreislauf die Bildung eines Basis-oder auch Restvolumens mit einreguliertem Druck bei größtem Volumen des Expansionsraumes ( 1 5) bei Verdrängerkolbenlage am unteren Umkehrpunkt,herbeigeführt. Die adiabatische Verdichtung diese Basisvolumens wird bei konstantem Verdichtungsverhältnis so geführt,daß das Einspritzen des flüssigen Arbeitsmittels in Bezug auf die Masse des Basisvolumens und der einzubringenden tiefkalten ,Flüssigen Masse in die Ringkammer ( 9'), im Zeitablauf des Arbeitstaktes so gesteuert wird, daß bei höchster Verdichtung und kleinstem Volumen ( = Verdrängerkolbenlage am oberen Umkehrpunkt) eine adiabatische Verdientung von Naßdampf mit ihrer charakteristischen Wirkung auf Arbeitsmittel und Arbeitsdruck resultiert,wobei die zugleich einsetzende und sich ausbildende Überlagerungsströmung ( 6'),(8'),( 10') u.
• ( 15')Abb. 2 mit hohem Wärmeenergieinhalt als überhitzter Dampf bezw. Heißgas im Zusammenwirken mit den zuvor genannten Komponenten,eine Verflüssigung im Verdichtungsraum verhindert und nach Umkehrung der Verdrängerkolbenbewegung zum unteren Umkehrpunkt hin,nun die schon wie vor beschriebene isotherme Expansionsarbeit ( 15') beginnt'welche dann kurz vor dem unteren Umkehrpunkt,durce Freigabe der Auslaßschlitze ( 13 ) durch Verdrängerkolben ( 2') beendet ist; das danach über den Auslaß ( 14 ) abgeleitete zur konstanten Masse des Basisvolumens in seiner Masse überschüssige Heißgas wird durch weitere adiabatische Entspannung unter Nutzbarmachung seines restlichen Arbeitsvermögens einer Verflussigung durch erprobte Verfahren und Geräte im geschlossenen Kreislauf zugeführtsum nachfolgend erneut für den Einspritzvorgang zur Verfügung zu stehen.
• L e e r s e i t e

Claims (1)

1. P a a n s p Verfahren zum Umwandeln von Wärme in mechanische Arbeit durch isotherme Expansion mit nachfolgenderer Überhitzung eines Kältemittels im geschlossenen Kreislauf, dadurch gekennzeichnet, daß in einem volumenveränderlichen Expansionsraum ( 1') u. ( 2') eines geschlossenen Kreislaufes eine heiße Masse ( 6') u.( 8') Abb. 2 des Arbeitsmittels im Zustand eines überhitzten Gases unter @reisring- bezw. kreisringmantelförmiger Strömungsausbildung ( 6'),( 8') Abb. 2 während der Expansion ( 15') Abb. 2,durch einen als Innentangente ein -fließenden Heißgasstrahl(6') u. ( 8') Abb.2 und eines als Teilmenge von der Kreisring- bezw. Kreisringmantelbahn in tangentialer Richtung abfließenden Heißgasstrahles ( 8') u.( 10') Abb. 2, eine zweite Masse ( 3'),( 9') u.( 10') Abb. 2 desselben Arbeitsmittels von wesentlich geringerer Temperatur im Dampfzustand bezw.

   als Zweiphasengemisch von Gas und Flüssigkeitstropfen nebeneinander vorliegend,durch ihre höhere Strömungsenergie und der dadurch bedingten Injektorwirkung ( 8'), ( 10') u, ( 15') Abb. 2, diese kältere Masse so von der strömungstechnisch angepassten Expansionsbehälterwand ( 10') ablöst oder auch mitreißt,daß aus der hocherhitzten Gasmasse des Arbeitsmittels und der kälteren zweiten Dampf- oder nebelartigen Masse,durch vermischen mit dieser, ein isothermes Dampfpolster ( 15') Abb. 2 einer entsprechenden Mischtemperatur gebildet wird, welches wiederum zum Teil am inneren Tangentenpunkt ( 6') u.( 8') Abb.2 aus(15') Abb.2 zur weiteren Erwärmung für die Expansion und Überhitzung unter Nutzung der inzwischen durch die Expansionsbehälterwand ( 1') Abb.2 eingebrachten Niedertemperaturwärme = Q nd T' vermischt und zusammengeschlossen wird.

   2.

   Verfahren nach anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß zur Aufrechterhaltung einer Überlagerungsströmung ( 6'),( 8'),( 10') u.( 15') Abb.2 während der Expansion ( 15') Abb. 2 aLf vorbeschriebene Art,es notwendig ist,bei zeitgleicher Bildung von Heißgasmasse ( 6') u.( 8') und kalter Dampf- bezw. Zweiphasenmasse ( 3'),( 9') u.( 10') des gleichen Arbeitsmittels ,die Strömungsführung innerhalb des Expansionsraumes ( 15') Abb.2 so ausgebildet wird, daß durch eine Wärmeisolation ( 3 ) Abb. 1 @@@ des Verdrängerkolbens ( 2 ) und dessen wulstförmigen Durchmesservergrößerung,unterhalb seiner oberen Stirnfläche,zwischen heißer und kalter Masse im Ziisitablauf der Expansion ( 15') Abb.2 mit nachfolgenderer Überhitzung, ein unmittelbarer Zusammenschluß dieser beiden Massen verhindert wird, um einen "thermischen Kurzschluß " der unterschiedlichen Wärmeenergiepotentiale zu vermeiden und damit den Anteil der isothermen Expansionsarbeit zu erhöhen.-3.

   Verfahren nach Anspruch 1 und dadurch gekennzeichnet, daß die betriebsmäßigen Zustandsgrößen des Arbeitsmittels in Bezug auf das Wärmegefälle zwischen heißer Masse ( 6') u.( 8') und kalter Masse ( 3'),( 9') u. ( 10') in einem günstigen Bereich über und unter + 273 K liegen,wobei die Wärme der hohen Temperatur zweckmäßigerweise durch eine isotherme Wärmequelle hoher Energiedichte und Wärmeflächenbelastung W/ cm2 wie z. B. durch die Kondensationszone eines Wärmeronres ( 5 ) u.

   ( 6 ) oder auch einer ähnlichen Vorrichtung gebildet wird.

   4.

   Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,daß das verwendete Arbeitsmittel eine hohe Kälteergiebigkeit = r/ v" aufweist und die flüssige tiefkalte Masse ( 3'),( 9') u.( 10') unter Vermeidung großer Reibungs-und Druckverluste nach der Methode der Tropfenzerstäubung mit der hierbei auftretenden charakteristischen Schallgeschwindigkeit ( = kritische Geschwindigkeit ) eines Zweiphasengemisches, über die Mischkammer ( 9') in den Arbeitszylinder ( 1') gebracht wird und danach in diesem Zustand einen hohen Wärmeübergangswert w / m2 . K ( = α@) an der Arbeitszylinderinnenwand ( 10') für die Aufnahme von Niedertemperaturwärme aus dieser möglich macht.

   5.-Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Wand des Expansionsraumes ( 1') von der Außenwand ( 11') Niedertemperaturwärme zur Nutzenergieumsetzung während eines Arbeitstaktes mit der ablaufenden isothermen Expansion ( 15') ähnlich dem Vorgang des Wärmepumpens,einfließen kann,wobei hohe Wärmeübergangswerte W / m2 @ K ( = α 1 ) durch geeignete Übertragungsmedien bei Zwangsumlauf erreicht werden, sodaß bei großer Anwendungsbreite in der Wärmeenergieumwandlung und einem entsprechenden Massendurchsatz auch eine ökologische, positive Wirkung auf längere Zeiträume gesehen in Siealungszonen starker städtischer Verdichtung mit einem hohen Anteil schädlicherer Wärmeimission gegeben ist und das gestörte Gleichgewicht wieder hergestellt weden werden kann.

   6.

   Verfahren nach Anspruch 1 bis 5 , dadurch gekennzeichnet,daß die wie vor beschriebene isotherme Wärmeenergieumwandlung mit dem am Beispiel der Verdrängerkolbenmaschine ausgewiesenen Verfahrensablauf nebst den einzelnen Verfahrensschritten,bei Herstellung äquivalenter Strömungs- und Druckverhältnisse in geeigneten Konstruktionen, auch bei Rotationskolben- und - kammermaschinen anwendbar ist.