DE2922867A1 - Energie-umwandlungszyklus, insbesondere gas- und kombinierter gas- dampf-arbeitszyklus - Google Patents
Energie-umwandlungszyklus, insbesondere gas- und kombinierter gas- dampf-arbeitszyklusInfo
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Description
"4" 292286?
Energie-Umwandlungszyklus, insbesondere Gas- und kombinierter
Gas-Dampf-Arbeitszyklus
Die Erfindung betrifft einen Energie-Umwandlungszyklus, insbesondere
einen Gas- und kombinierten Gas-Dampf-Arbeitszyklus nachdem
Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Man weißr daß eine chemische Strömungsmittelmischung derart einer
Strahlung ausgesetzt werden kann, daß einzelne Moleküle innerhalb der Mischung bei oder nahe der Mischungstemperatur als Ganzer
mikroskopisch dissoziiert werden. Dieses Phänomen wird radiolytische Dissoziation genannt und steht in Gegensatz zum häufigeren
thermischen Dissoziationsphänomen, bei dem die Strömungsmittelmoleküle
unter dem Einfluß von Wärme dissoziiert werden. Wenn die Temperatur der Mischung als Ganzem unter der Temperatur der thermischen
Molekular-Dissoziatibn liegt, sagt man, die Mischung, welche sowohl dissoziierte als auch undissoziierte Komponenten enthält,
befinde sich in makroskopischem thermischem Ungleichgewicht. In den dissoziierten Komponenten wird chemische Energie getrennt
und zusätzlich zu weiterer gespeicherter Energie gespeichert, die mit der Verdampfung der Mischung (Veränderung der Phase) und
thermischer Energie (Erhöhung der Temperatur) verbunden ist.
Auch ein kleiner Bruchteil chemischer Dissoziation speichert in der Strömungsmittelmischung Energie, die, verglichen mit der gespeicherten
thermischen Energie, von Bedeutung ist. Beispielsweise
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ergibt die Dissoziation von nur einem Prozent von anfänglich reinem Kohlendioxid eine Mischung, die ungefähr 1% Kohlenmonoxid
und ungefähr 1/2% Sauerstoff in einer Kohlendioxid-Strömungsmittelmischung
enthält. Die chemische Energie der Dissoziationsprodukte ist der Menge der gespeicherten thermischen Energie
äquivalent, wenn die Temperatur der Mischung über eine Ausgangstemperatur von 500 F, beispielsweise bei einer Atmosphäre, um
1100F erhöht wird. (Alle hier angegebenen Prozentsätze sind Gewichtsprozentsätze,
wenn nichts anderes angegeben ist).Gemäß der
oder
vorliegenden Erfindung ist die gesamte/ein beträchtlicher Teil
der chemischen Energie, die in dem Arbeits-Strömungsmittel unter makroskopischem thermischem Ungleichgewicht gespeichert wird, zur
Verwendung in arbeitserzeugenden Zyklen als Ausgangsleistung einer Turbine verfügbar, wenn die Dissoziation, Rekombination und Expansion
sämtliche bei derselben Temperatur geschehen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Gas- und/oder kombinferten Gas-Dampf-Arbeitszyklus anzugeben, der von den oben
angegebenen Prinzipien Gebrauch macht.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Haupfeanspruchs
angegebene Erfindung gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigen:
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Pig. 1 ein Schemadiagramm des erfindungsgemäßen Energiezyklus, der im wesentlichen analog den herkömmlichen
Dampfkraftzyklen ist;
Fig. 2 ein Schemadiagramm eines kombinierten Gas-Dampf-Energiezyklus
gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ein Schemadiagramm einer Abwandlung des Energiezyklus von Fig. 2;
Fign. 4-6 exemplarische T-S-Diagramme der in den Fign.1-3
gezeigten Energiezyklen.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 wird eine Kammer 10, die
einen Eingang und einen Ausgang für ein Arbeitsströmungsmittel
besitzt, so positioniert, daß sie von einer (nicht gezeigten) Quelle Strahlungsenergie empfängt. Die Strahlungsquelle kann einen
herkömmlichen Kernspaltungsreaktor umfassen, bei dem ungefähr 10% der Energie von jedem Reaktionsereignis als strahlungserzeugende
Energie in Form von Neutronen (fünf Megaelektronenvolt bzw. M.e.V.) und Alphateilchen (zwölf M.e.V.) anfällt. Die Strahlungsenergieausbeute
kann auf ungefähr 11 1/2% angehoben werden, indem Bor-10 oder Lithium-6 in der Kammer 10 in Form einer
Kammerauskleidung, von Stangen, von Flüssigkeiten oder Nebeln vorgesehen wird. Es können auch Kernfusionsreaktoren als Strahlungsenergiequellen
verwendet werden. Beim Deuterium-Tritium-Fusionsprozeß werden 17,6 M.e.V. als 3,5-M.e.V. Alphateilchen
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und 14,1-M.e.V. Neutronen freigesetzt. Die gesamte Fusionsenergie
ist als strahlungserzeugende Energie verfügbar, wenn die energieerzeugende
Reaktion im wesentlichen in direkter Berührung mit dem Arbeitsstromungsmittel stattfindet. Andere beispielhafte Strahlungsquellen
sind Zyklotrone, Teilchenbeschleuniger, Gammastrahlungsquellen und Röntgenstrahlenmaschinen.
Das Arbeitsstromungsmittel innerhalb der Kammer 10 kann außerdem
von einer äußeren Quelle (nicht gezeigt) erwärmt werden. Die Wärmequelle kann derselbe Kernspaltungsreaktor sein, der auch in dem
oben beschriebenen Beispiel als Strahlungsquelle dient. Im Falle des Fusionsreaktors kann die gesamte Energie anfänglich als strahlungserzeugende
Energie eingebracht werden, von der ein Teil in thermische Energie umgewandelt wird. Eine Leitung speist Arbeitsstromungsmittel
aus der Kammer 10 durch einen Wärmetauscher 12, beispielsweise einen Boiler, zu einem chemischen Reaktor 14. Der
Reaktor 14 ist über einen zweiten Boiler 16 und einen Kompressor 18 mit dem Strömungsmitteleingang der Kammer 10 verbunden, wodurch
eine geschlossene Schleife für das primäre Arbeitsstromungsmittel gebildet wird. Herkömmliche Dampfkraftsysteme 20, 22 sind mit den
Boilern 12, 16 derart verbunden, daß die letzteren als Wärmequellen
für die Dampfkraftzyklen dienen.
Die Funktion des Ausführungsbeispieles von Fig. 1 läßt sich am besten unter gleichzeitiger Bezugnahme auf die Fig. 4 verstehen.
Letztere ist ein T-S-Diagramm für Kohlendioxid als Arbeitströmungs·
mittel. Es versteht sich, daß die Betriebsparameter, die hier beschrieben sind, erheblich variiert werden können, und daß die
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nachfolgende Beschreibung allein illustrativ ist.
Der Punkt Λ bezeichnet den Zustand des Kohlendioxid-Arbeitströmungsmittels
bei einer angenommenen Temperatur von 100 F und einem Druck von zehn absoluten Atmosphären (atma) am Einlaß des
Kompressors 18. Die Druckerniedrigung ist nur so groß, daß der Druckabfall der Zirkulation überwunden wird. Demzufolge wird der
Ausgang des Kompressors ebenfalls durch den Punkt A angenähert. Den Effekt am Reaktor 10 kann man sich als zwei Schritte vorstellen:
(1) Kohlendioxid wird bei 10 atma von 100°F auf 1000°F entlang der Kurve A-B erwärmt; (2) Kohlendioxid wird dann bei 10000F
bis zu 8,09% Dissoziation entlang der Kurve B-C djssoziiiert.
Alternativ könnten die sich vom Punkt A aus ändernden Eigenschaften als ein einziger, direkt zum Punkt C gehender Weg gezeigt
werden. In beiden Fällen ist eine radiolytische Effizienz von ungefähr 60% in Fig. 4 impliziert, d.h., 60% der radiolytischen
Eingangsenergie wird in chemische Energie umgewandelt, der Rest in Wärme. Die teilweise dissoziierte Arbeitsströmungsmittel-Mischung
wird dann von 1000°F auf 1OO°F entlang der Linie C-D konstanten Drucks bei 10 atma abgekühlt, während sie durch den
Wärmetauscher bzw. Boiler 12 läuft. Der dissoziierte Anteil des Strömungsmittels erfährt beim Durchgang durch den Reaktor 14 eine
Rekombination zu Kohlendioxid, wobei er die Linie D-B durchquert, einen Weg konstanter Enthalpie.Bei der Rekombination wird er von
100 F auf 1000 F erwärmt, während er bei ungefähr 10 atma verbleibt.
Das Gas wird dann im Boiler 16 abgekühlt, wobei es den Weg B-A beim Abkühlen des Kohlendioxids durchquert und am Ende
des Zyklus ankommt.
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Der Prozentsatz des dissoziierten, anfänglich reinen Kohlendioxids
unterscheidet sich bei dem angegebenen Beispiel vom Prozentsatz des Kohlenmonoxids in der dissoziierten Mischung, nähert diesen
aber an. Unter der Annahme, daß ein Mol Kohlendioxid dissoziiert ist, was Y Mol Kohlenmonoxid ergibt, gilt:
(Y)CO + (|) O2 + (1-Y)CO2.
Die Gesamtanzahl von Molen des dissoziierten Produkts ist gleich:
Y + j + (1-Y) = 1 + ~ .
Der Prozentsatz von Kohlenmonoxid im Dxssoziationsprodukt ist gleich:
~- χ 100.
Bei 8,09% Dissoziation ist Y = 0.0809; der Prozentsatz von Kohlenmonoxid
in der Mischung ist
0.0809 _,_Λ n -7-7CQ.
χ 100 = 7,775%.
H- (0,0809)
Die Energie bzw. Leistung, die pro Masseneinheit des primären Arbeitsströmungsmittels
beim Ausführungsbeispiel von Fig. 1 erzeugt wird, ist ungefähr doppelt so groß wie sie anfallen würde, wenn
das Strömungsmittel in der Kammer 10 nur thermische Energie bei 1000°F speichern würde. Genauer: Ungefähr äquivalente Mengen
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thermischer und. chemischer Energie sind in dem Arbeitsstromungsmittel
gespeichert. Die thermische Energie wird vom Boiler 12 und die chemische Energie vom kombinierten Effekt des Reaktors 14 und
dem Boiler 16 extrahiert. Obwohl doppelt so viel Energie im Effekt
in dem Arbeitsstromungsmittel gespeichert ist, weil nämlich diese Energie in zwei Formen (thermisch und chemisch) gespeichert ist,
wird jeder einzelne Boiler nur einer maximalen Temperatur von 1OOO°F ausgesetzt sowie einer Temperaturverringerung von 9OO F
des Kohlendioxids, während dieses durch den Boiler fließt. Dies sind Parameter, die innerhalb der existierenden Technologie liegen.
Es ist wieder zu erkennen, daß das Ausführungsbeispiel nach Fig.1
ohne weiteres bei Energieerzeugungssystemen, beispielsweise Kernkraftsystemen verwendbar ist und sogar hierfür besonders geeignet
ist, bei denen die Energie aus der primären Quelle sowohl in thermischer als auch in Strahlungsform verfügbar ist. Somit muß
die Strahlungsenergie nicht zuerst in thermische Energie umgewandelt werden, bevor sie auf das Arbeitsstromungsmittel übertragen
wird, wie dies gegenwärtig mit entsprechenden Nachteilen und Energieverlusten geschieht. Vielmehr kann das Arbeitsstromungsmittel
selbst die Strahlungsenergie in gespeicherte chemische Energie umwandelt, was automatisch mindestens einen Energieübertragungsschritt
eliminiert.
Das Ausftihrungsbeispiel von Fig. 1 läßt sich auch ohne weiteres dort einsetzen, wo die verfügbare Energie in erster Linie Strahlung
ist. Beispielsweise kann das Arbeitsstromungsmittel in der Kammer 10 in ausreichender Konzentration verfügbar gemacht werden,
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so daß ungefähr 16,2% des eintretenden Kohlendioxids durch die
einfallende Strahlungsenergie dissoziiert werden, wobei das Strömungsmittel die Kammer 10 mit 1OO°F verläßt. Ein chemischer
Reaktor kann dann zwischen der Kammer 10 und dem Boiler 12 vorgesehen werden, der die Hälfte der so gespeicherten chemischen
Energie in Wärme umwandelt, wodurch das Strömungsmittel von 100 F auf die Boiler-Eingangstemperatur von 1000 F erwärmt wird.
Das Strömungsmittel wird dann im Boiler 12 von 1OOO°F auf 1OO°F
abgekühlt. Dann wird die andere Hälfte der gespeicherten chemischen Energie im Reaktor 14 in Wärme umgewandelt, wodurch das
Strömungsmittel wieder von 1OO°F auf 1OOO°F erwärmt wird. Danach
wird das Strömungsmittel im Boiler 16 auf 1OO°F abgekühlt. Das
Strömungsmittel wird danach durch den Kompressor 18 in die Kammer 10 eingespeist und der Zyklus wird wiederholt. Unter Fortführung
der vorgeschlagenen Modifikation können zusätzliche Reaktoren und Boiler dem primären Energiezyklus zugefügt werden,
wenn höhere Prozentsätze des primären Arbeits-Strömungsmittels dissoziiert werden. Die praktische Grenze wird durch die Möglichkeit
gesetzt, teilweise dissoziiertes Arbeitsströmungsmittel bei Temperaturen fern von thermischen Gleichgewicht zu transportieren,
sowie durch die Beziehung zwischen gespeicherter chemischer Energie und der äquivalenten Menge thermischer Energie für
das jeweilige Arbeitsströmungsmittel.
Bei dem abgewandelten Energiesystem von Fig. 2 ist der Ausstoß aus der Kammer 10, der sich auf ungefähr 10000F befindet und
in dem das Kohlendioxid zu 10,7% dissoziiert ist, direkt mit einem chemischen Reaktor 14a verbunden. In diesem werden die
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dissoziierten Strömungsmittelkomponenten rekombiniert, wodurch das Arbeitsströmungsmittel auf ungefähr 2000°F erwärmt wird. Das
Strömungsmittel wird dann durch eine herkömmliche Gasturbine und einen Boiler 16 zum Kompressor 18 und zum Eingang der Kammer
10 geleitet. Somit wird beim Ausführungsbeispiel VDn Fig. 2 die
Temperatur des Arbeitsströmungsmittels auf ungefähr 2000°F angehoben, wenn die dissoziierten Strömungsmittelkomponenten im Reaktor
14a rekoifibiniert werden. Dem Arbeits strömungsmittel wird
durch die Turbine 26 Energie entzogen, die eine Auslaßtemperatur von typischerweise 1000 F besitzt, sowie durch den Boiler 16
durch den Dampfkraftzyklus 22. Wie dies üblich ist, wird der
Kompressor 18 durch die Turbine 26 angetrieben. Fig. 5 zeigt den Verlauf der Eigenschaften des Arbeitsströmungsmittels beim
Durchgang durch den Zyklus von Fig. 2. Der Punkt A entspricht dem Einlaß des Kompressors 18 von Fig. 2, bei dem sich das kohlendioxidhaltige
Arbeitsströmungsmittel auf 100 F und einem Druck von einer atma befindet. Der Durchgang durch den Kompressor 18
ist mit A-B dargestellt, wobei isentropische Kompression ange-
ist nommen ist. Der Durchgang durch die Kammer 10/in zwei Schritten
gezeigt: Erwärmung bei konstantem Druck auf 10000F durch die
Linie B-C; die Dissoziation bei konstanter Temperatur bis zu ungefähr
10,7% durch die Linie C-D. Die Rekombination des Ausstoßes aus der Kammer 10 im Reaktor 14a von Fig. 2 ist durch
die Linie konstanter Enthalpie D-E dargestellt, wobei die Temperatur von 1OOO°F auf ungeführ 1992°F, alles bei 10 atma, anwächst.
Das Gas passiert die Turbine 26 von Fig. 2, was als isentropische Expansionslinie E-F in Fig. 5 dargestellt ist.
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Der Druck am Punkt F beträgt eine atma. Das Gas durchquert dann
den Wärmetauscher 16 von Fig. 2, wird durch diesen bei einer atma
auf 100 F abgekühlt, was durch den Weg F-A, eine Abkühlungslinie bei konstantem Druck, angedeutet ist.
Bei der Modifikation von Fig. 3 wird der Ausstoß der Kammer 10 direkt in eine Turbine 28 geführt, in welcher die chemische
Rekombination der dissoziierten Strömungsmittelkomponenten und die volumetrische Expansion des Arbextsstromungsmittels derart
stattfinden kann, daß sich eine im wesentlichen adiabatische und isotherme Reaktion innerhalb der Turbine ergibt. Die Turbine
28 kann mehrere Turbinenkaramern umfassen, wobei die chemischen Reaktoren 14b dazwischen angeordnet sind. Ein Prozentsatz der
dissoziierten Strömungsmittelkomponenten wird in jedem Zwischenreaktor 14b in einer alternierenden Folge von isentropischen
Expansionen und isentalpischen Reaktionsschritten rekombiniert, so daß kontinuierliche isotherme Bedingungen so nahe wie gewünscht
angenähert werden. Fig. 6 zeigt den Verlauf der Eigenschaften des Arbextsstromungsmittels beim Durchgang durch den
Zyklus von Fig. 3 derart, daß eine konstante Temperatur bei der Rekombinationsströmung durch die Turbine aufrecht erhalten wird.
Beginnend beim Punkt A, der dem Einlaß des Kompressors 18 von Fig. 3 entspricht, wird die isentropische Kompression durch
die Linie A-B angedeutet. Der Effekt der Kammer 10 wird durch die Erwärmung auf der Linie B-C unter konstantem Druck von 10 atma
angenähert, gefolgt durch die Dissoziation C-D bis zu ungefähr 5,48% bei konstanter Temperatur. Die Linie D-E zeigt den Durchgang
des Gases durch den chemischen Reaktor 14b und die Turbine
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von Fig. 3. Das Gas wird zur Rekombination und zur Expansion
derart gebracht, daß es im wesentlichen die konstante Temperatur von 100 F beibehält, wobei keine Wärme mit der Umgebung ausgetauscht
wird. Die Rekombination-Expansion ist somit isotherm und außerdem adiabatisch. Der Durchgang durch den Wärmetauscher 16
der Fig. 3 wird durch die Linie E-A angegeben, ein Abkühlschritt bei konstantem Druck von einer Atmosphäre zwischen 1000 F und
1OO°F.
Es ist zu bemerken, daß Fig. 5 eine gewisse Ähnlichkeit mit einer Brayton-Zyklus aufweist. Würde in Fig. 5 die unterbrochene Linie
C-E anstelle des Weges C-D-E durchlaufen, würde dies einen Brayton-Zyklus ergeben. Das Beispiel von Fig. 5 beschränkt jedoch
die in der Kammer 10 erreichte Temperatur auf 1000 F, während das Gas bei 1992°F an die Turbine abgegeben wird. Der geschätzte
Wirkungsgrad des dargestellten Zyklus liegt bei 31,8%, wenn Kompressor 18 und Turbine 26 isentrop arbeiten. Man sagt,
der Kompressor habe einen Wirkungsgrad von 80% wenn er eine Eingangsleistung von 1,25 mal der isentropischen Leistung benötigt.
Die Turbine besitzt einen Wirkungsgrad von 80%, wenn pie 80% der isentropischen Leistung abgibt. Der Wirkungsgrad des Zyklus
von Fig. 5 wird auf 18,7%geschätzt, v/enn ein Kompressor und
eine Turbine von 80%-igem Wirkungsgrad verwendet werden. Ein Luftzyklus würde einen Wirkungsgrad von 48% haben, wenn er zwischen
1000F und 2000 F mit einem Druckverhältnis von 10, mit
isentropischem Kompressor und Turbine betrieben wird. Der Luftzyklus würde einen Wirkungsgrad von 23,8% besitzen, wenn dieselben
Bedingungen mit der Ausnahme benutzt werden, daß der
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Wirkungsgrad vom Kompressor und Turbine 80% beträgt. Mit dem Beispiel
von Fig. 6 wird ein Zyklus präsentiert, bei dem soxvohl die Temperatur in der Kammer als auch in der Turbine auf 1000 C beschränkt
sind, während sich ein Zykluswirkungsgrad von ungefähr 26% ergibt, wenn Kompressor 13 und Turbine 23 isentrop arbeiten,
bzw. von 10%, wenn Kompressor und Turbine einen Wirkungsgrad von 80% besitzen.
In der nachfolgenden Tabelle I wird ein Vergleich zwischen verschiedenen
Zyklen angestellt und zwar für die Menge der Nettoarbeit, die pro Gewichtseinheit des Arbeitsströmungsmittels abgegeben
wird. Alle Zyklen bei diesem Beispiel arbeiten zwischen 1000F und 2000 F mit einem Druckverhältnis von 10 sowie mit Kompressor-und
Turbinenwirkungsgraden von 80%.
| 5 | Tabelle I | Abgegebene Nettoarbeit Kalorien pro Gramm |
Zykluswirkungs grad Prozent |
|
| Zyklusart | Arbeits-Strömungs- mittel |
44,6 | 18,7 | |
| Brayton Fig. | Kohlendioxid | 40,4 | 23,8 | |
| Brayton | Luft | |||
| Isotherm- | 61,9 | 16,3 | ||
| adiabatisch (Fig.6) |
Kohlendioxid | |||
Der isotherm—·adiabatische Zyklus von Fig. 6, der zwischen 100 F
und 1OOO°F arbeitet (in Tabelle I nicht gezeigt), würde 15,7
Kalorien pro Gramm bei Verwendung eines Kompressors und einer Turbine mit einem Wirkungsgrad von 80% abgeben. Er würde einen Zyklus-
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Wirkungsgrad von 10% besitzen. Ein Lrayton-Zyklus, der unter
denselben Bedingungen mit Kohlendioxid arbeitet, würde 4,3 Kalorien pro Gramm mit einem Zyklus-Wirkungsgrad von 5,9% abgeben.
Aus Tabelle I ist zu entnehmen, daß in Fig. 4 die Dissoziation des Kohlendioxids bei 1OOO°F, die danach folgende Rekombination
und Erwärmung auf 1992 F einen Zyklus ergibt, der 44,6 Kalorien pro Gramm liefert, etwas höher als das, was vom entsprechenden
Luftzyklus mit 40,4 Kalorien pro Gramm abgegeben wird. Die Maschine für den Kohlendioxid-Zyklus muß einen kleineren Querschnitt besitzen
als diejenige für den Luftzyklus. Der Wirkungsgrad des Kohlendioxidzyklus ist jedoch 18,7% und der Wirkungsgrad des Luftzyklus
ist 23,8%. Ferner ist zu bemerken, daß der isothermeadiabatische Zyklus von Fig. 6 mit einem Kompressor und einer
Turbine vom Wirkungsgrad 80% mehr als die dreifache Ausgangsleistung pro Gramm Kohlendioxid ergibt als der Kohlendioxid-Brayton-Zyklus,
wenn beide zwischen 1OO°F und 1000 F mit einem Druckverhältnis von 10 geführt werden. Der isotherme-adiabatische
Zyklus würde außerdem einen Wirkungsgrad von 10% besitzen, verglichen mit 5,9% für den Brayton-Zyklus. Ein Luft-Brayton-Zyklus
hätte offensichtlich keine Netto-Ausgangsleistung bei
10000F, wenn die übrigen Bedingungen dieselben wie oben beschrieben
sind.
Vergleicht man den Effekt der oberen ZjfcLustemperatur auf die
Eigenschaften des isothermen-adiabatischen Zyklus und des Brayton-Zyklus, so ist der isotherm-adiabatische Zyklus nach der vorliegenden
Erfindung wirksamer und benötigt eine kleinere Maschine
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als der Brayton-Zyklus, wenn er mit Kohlendioxid unter einem Druckverhältnis
von 10, mit Turbinen und Kompressionen vom Wirkungsgrad 80% zwischen 1OO°F und 10000F betrieben wird. Der Luftzyklus gibt
bei diesen Bedingungen keine Nettoausgangsleistung. Wird der isotherm-adiabatische Zyklus unter Verwendung von Kohlendioxid
zwischen 1OO°F und 2000°F betrieben, ist er weniger wirksam, benötigt
jedoch eine kleinere Maschine als ein Braytonzyklus, der
Kohlendioxid oder Luft benutzt. Dabei versteht sich, daß alle drei Zyklen mit einem Druckverhältnis von 10 und mit Turbinen
und Kompressoren vom Wirkungsgrad 80% arbeiten.
Die Verwendung der chemischen Dissoziation und der Rekombination, wie beschrieben, ermöglicht den isotherm-adiabatischen Schritt in
einem Wärmemaschinen-Ärbeitszyklus. Die Verwendung eines im wesentlichen oder nominal ädiabatischen Schrittes in einem derartigen
Arbeitszyklus ist bekannt. Es war bisher jedoch noch nicht bekannt, wie ein in wesentlichen bzw. nominal isothermer Schritt ausreichend
rasch durchgeführt v/erden kann, damit er in einem derartigen
Arbeitszyklus verwendet werden kann. Die hier beschriebene Erfindung lehrt, wie ein derartiger isothermer Schritt, der außerdem
im wesentlichen adiabatisch ist, durchzuführen ist. Die Verwendung
der chemischen Dissoziation und der Rekombination, wie beschrieben, macht außerdem die Vervrendung von dem möglich, was
im wesentlichen ein Brayton-Zyklus ist, bei dem der Expansionsabschnitt des Zyklus bei sehr viel höheren Temperaturen als derjenige
Abschnitt des Zyklus gefahren werden kann, in dem die chemische Dissoziation stattfindet.
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Die vorliegende Erfindung betrifft also im Grunde einen Arbeitszyklus,
der die folgenden Schritte enthält: Zuführen von Wärme zu einem Arbeits-Strömungsmittel unter hohem Druck, wodurch das
Arbeits-Strömungsmittel auf hohe Temperatur gebracht wird; Entzug
der Wärme aus dem Arbeitsströmungsmittel bei reduziertem Druck. Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt der Schritt der Wärmezuführung
zum Arbeitsströmungsmittel die Schritte: (a) chemische Dissoziation von mindestens einem Teil des Arbeitsströmungsmittels
durch Radiolyse bei einer Temperatur unter der thermischen Gleichgewichtstemperatur des dissoziierten ArbeitsStrömungsmittels, derart, daß sich das dissoziierte Arbeitsströmungsmittel
in makroskopischem thermischem Ungleichgewicht befindet; (b) chemische Reaktion der dissoziierten Komponenten des Arbeitsströmungsmittels
miteinander, wobei die Komponenten rekombinieren und gleichzeitig das Arbeitsströmungsmittel erwärmen. Die Vorteile
dieses Verfahrens liegen darin, daß ein Arbeits-Strömungsmittel hoher Temperatur aus einer Energiequelle erhalten wird,
die bei einer niedrigeren Temperatur arbeitet.
Beim oben erwähnten Schritt (a), in welchem die chemische Dissoziation
auftritt, wird ein bestimmter Bruchteil der Eingangsenergie in Wärme umgewandelt. Der gewünschte Effekt ist, soviel Eingangsenergie
wie möglich für die chemische Dissoziation zu verwenden.
Gemäß einem zweiten wichtigen Gesichtspunkt der Erfindung, der oben anhand der Fign. 3 und 6 erläutert wurde, wird der Schritt
(b) ausgeführt, während gleichzeitig die dissoziierten Komponen-
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ten in einer Turbine oder dergleichen expandiert v/erden, so daß eine konstante Temperatur des Aroeits-Strömungsmittels durch den
gesamten Prozeß von Rekombination und Expansion aufrecht erhalten wird. Das modifizierte Verfahren gewinnt Arbeit aus einem Arbeitsströmungsmittel,
wobei sowohl die Energiequelle als auch die Turbine oder dergleichen auf der unteren, oben erwähnten
Betriebstemperatur gehalten wird. Dabei ist anzumerken, daß die Energiemenge, die pro Masseneinheit des Arbeitsströmungsmittels
mitgeführt wird, über diejenige eines herkömmlichen Kraftwerkes ungefähr in dem Verhältnis der höheren Temperatur,
welche das Gas bei freier Rekombination erreichen würde, zu der Temperatur, unter welcher es den Dissoziator verläßt, angehoben
wird. Von beiden Temperaturen wird angenommen, daß sie überhalb eines gemeinsam erreichbaren Wertes, beispielsweise
1000F, gemessen werden.
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Claims (5)
1. Energie-Umwandlungszyklus, insbesondere Gas- und kombinierter
Gas-Dampf-Arbeitszyklus, bei welchem einem Arbeitsströmungsmittel
unter hohem Druck Wärme zugeführt wird, wodurch das Arbeitsströmungsmittel auf hohe Temperatur gebracht wird, und
bei dem dem Arbeitsströmungsmittel unter verringertem Druck Wärme entzogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt
der Wärmezuführung zum Arbeits-Strömungsmittel die folgenden Schritte umfaßt:
a) chemische Dissoziation von mindestens einem Teil des Arbeits-Strömungsmittels
durch Radiolyse bei einer Temperatur unterhalb der thermischen Gleichgewichtstemperatur des dissoziierten
Arbeits-Strömungsmittels derart, daß sich das -2-
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dissoziierte Arbeits-Strömungsmittel in makroskopischem,
thermischen Nichtgleichgevjicht befindet;
b) chemische Reaktion der dissoziierten Komponenten des Arbeits-Strömungsmittels
miteinander zur Rekombination der Komponenten und gleichzeitigen Erwärmung des Arbeits-Strömungsmittels.
2. Zyklus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Schritt b) ausgeführt wird, während gleichzeitig
c) die Komponenten derart expandiert werden, daß durch den gesamten Prozeß von Rekombination und Expansion eine konstante
Temperatur des Arbeits-Strömungsmittels aufrecht erhalten wird.
3. Zyklus nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt c) in einer sich drehenden Strömungsmittel-Maschine
durchgeführt wird.
4. Zyklus nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte b) und c) ausgeführt werden, während das Strömungsmittel
durch eine Einrichtung geleitet wird, welche eine
sich drehende Strömungsmittelmaschine enthält.
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5. Zyklus nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schritte b) und c) im wesentlichen unter isothermen und adiabatischen Bedingungen ausgeführt wird.
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| US05/913,017 US4229942A (en) | 1978-06-06 | 1978-06-06 | Radiolytic dissociative gas power conversion cycles |
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| DE19792922867 Withdrawn DE2922867A1 (de) | 1978-06-06 | 1979-06-06 | Energie-umwandlungszyklus, insbesondere gas- und kombinierter gas- dampf-arbeitszyklus |
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- 1979-06-05 GB GB7919527A patent/GB2023910B/en not_active Expired
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