DE3032921A1 - Kombination eines waermekraftmaschinen- und eines waermepumpenkreises - Google Patents

Kombination eines waermekraftmaschinen- und eines waermepumpenkreises

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DE3032921A1
DE3032921A1 DE19803032921 DE3032921A DE3032921A1 DE 3032921 A1 DE3032921 A1 DE 3032921A1 DE 19803032921 DE19803032921 DE 19803032921 DE 3032921 A DE3032921 A DE 3032921A DE 3032921 A1 DE3032921 A1 DE 3032921A1
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DE19803032921
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Inventor
Bernhard Dipl.-Ing. 5223 Nümbrecht Drescher
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Drescher Bernhard Dipl-Ing 5340 Bad Honnef D
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01KSTEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K17/00Using steam or condensate extracted or exhausted from steam engine plant
    • F01K17/005Using steam or condensate extracted or exhausted from steam engine plant by means of a heat pump
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B27/00Machines, plants or systems, using particular sources of energy

Description

  • Kombination eines Wärmekraftmaschinen- und eines Wärmepumpen-
  • kreises, Die Erfindung betrifft die Kombination eines Wärmekraftmaschinen- und eines Wärmepumpenkreises zum Zwecke der wirtschaftlichen Umwandlung einer Wärieenergie - insbesondere bei niedrigem Temperaturniveau der Wärmequelle - in mechanische bzw. elektrische Energie.
  • Es ist bekannt, daß bei Wärmekraftmaschinen, die der Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Arbeit dienen, der thermische Wirkungsgrad um so niedriger ist, Je kleiner die zur Verfügung stehende Temperaturdifferenz ist. Legt man einen idealen Kreisprozeß ( Carnotprozeß ) zugrunde, so gilt z.B. bei einer Dampfmaschine ftir den thermischen Wirkungsgrad die bekannte 3e-Q1 - Q2 LD T1 - T2 ziehung # @@ = = = Ql l = Hierin bedeuten Q1 die bei der absoluten Temperatur T1 dem Verdampf er zugeführte Wärmemenge, Q2 die bei der absoluten Temperatur T2 in Kondensator anfallende Wärmemenge und die Differenz Q1 - Q2 = LD die an der Welle der Dampfmaschine abgegebene meohnnische Arbeit. Nimmt man z.3. für Tl eine Temperatur entsprechend 45 C an, wie sie bei Solarkollektoren erreicht wird, und als Umgehungstemperatur eine solche entsprechend 15 C, so wird # th = 30 / 318 = 0,0943, es können also aelbst im Iddealfall nur rd. 9,4 % der in den Solarkollektoren aufgefangenen Sonnenenergie in mechanische Arbeit umgesetzt werden. Es leuchtet ein, daß auf diese Weise eine wirtschaftlich vertretbare Umwandlung von Wärme mit relativ niedrigem Temperaturniveau in mechanische oder elektrische Energie nicht möglich ist.
  • Man könnte nun daran denken, das zur Verfügung stehende Temperaturniveau mit Hilfe einer Wärmepumpe anzuheben, uO auf diese Weise einen größeren Temperaturunterschied T1 - T2 zu erhalten.
  • Es ist aber bekannt und leicht zu beweisen, daß der Energiebedarf der Wärmepumpe im Idealfall gleich, in der Praxis aber größer ist als der durch die Erhöhung der Eingangstemperatur T erzielte Energiegewinn der Dampfmaschine. Eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades ist also durch die einfache Kopplung der Wärmekraftmaschine mit einer Wärmepumpe nicht zu erreichen.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, db Kombination der beiden Arbeitskreise - Wärmekraftmaschinen- und Wärmepumpenkreis - so zu gestalten, daß auch Wärmequellen, deren Temperaturen relativ geringfügig aber der Umgebungstemperatur liegen, für die Gewinnung von mechanischer bzw. elektrischer Energie ausgenutzt werden können.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die zur Verfügung gestellte Wärmeenergie nicht wie sonst üblich in den Kreis der Wärme@kraftmaschine, sondern in den der Wärmepumpe eingespeist wird. Sie tritt dann, wie nachstehend gezeigt wird, mit hohem Wirkungsgrad - im Idealfall in voller Größe - als mechanisch verwertbare Nutzarbeit an der Welle der Dampfmaschine in Erscheinung.
  • Der mit der Erfindung erzielte technische @ortschritt ist darin zu sehen, daß nunmehr auch Wärmequellen mit verhältnismäßig niedrigem Temperaturniveau auf wirtschaftliche Weis zur Gewinnung von mechanischer bzw. elektrischer Energie herangezogen werden können. Solche Wärmequellen stehEn in vielfacher Form, z.B, als Kühlwasser bei chemischen Prozessen, in Stahl- und Hüttenwerken usw. oder als regenerative Energiequellen z.B. als Sonnen- oder Erdwärme zur Verfügung.
  • Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die im Kondensator der Dampfmaschine anfallende Wärme nicht mehr an das Kühlwasser oder disUsgebungsluft abgegeben wird und dadurch die Umwelt belastet, sondern von der Wärmepumpe aufgenommen wird. Der Fortfall der Notwendigkeit, Kühlwasser o. dergl. von ausreichend tiefer Temperatur zur Verfügung stellen zu müssen, begüns@tigt außerdem die Aufstellung von Solarkraftwerken , bei denen Wärmekraftmaschin#en-und Wärmepumpenkreis der Erfindung entsprechend gekoppelt sind, in wasserarmen Gegenden, s.B. in tropischen und subtropischen Gebieten.
  • Bei den folgenden Erläuterungen des Erfindungsgedankens seien der dbersichtlichkeit halber ideale Verhältnisse angenommen ( Carnotsche Kreisprozesse, kein. Verluste, keine toten Räume in Kolbenmaschinen usw. ), ferner seien die Temperaturdifferenzen in den Wärmetauschern vernachlässigt.
  • Eine Ausführungsmöglichkeit der Erfindung mit einer Dampfmaschine als Wärmekraftmaschine und einer Wärmepumpe mit Kompressor ist im Prinzip in der beiliegenden Zeichnung dargestellt, Die Dampfmaschine WD ist mechanisch mit der Wärmepumpe Wp gekuppelt. Sie gebe die mechanische Arbeit LD ab, der Kompressor der Wärmepumpe Wp benötige zum Betrieb die Arbeit LK, sodaß als verwertbare Nutzarbeit die Differenz LN = LD - LK verbleibt.
  • Thermisch werden die beiden Arbeitskreise in folgender Weise kombiniert. Der Verdampfer 1 der Dampfmaschine ist mit des von densator 4 der Wärmepumpe und der Kondensator 2 der Dampfmaschine mit dem Verdampfer 3 der Wärmepumpe thermisch, z.B. durch Wärmetauscher verbunden. Die im Kondensator 2 der Dampfmaschine bei der Temperatur T2 anfallende Wärmemenge Q2 wird also dem Verdampfer 3 der Wärmepumpe zugeführt und bewirkt hier die Verdampfung des Kältemittels der Wärmepumpe. Im Überhitzer 5 wird von außen die ( Fremd- ) Wärmeenergie Q0 bei der Temperatur T0 größer als T2 eingespeist und dadurch die Temperatur des Eältemittels auf T0 erhöht. Die in ihm enthaltene Wärmeenergie beträgt nunmehr offenbar 43 = Q2 + Q0 ( bei der Temperatur T3=T0).
  • Durch den Kompressor der Wärmepumpe werden die Dämpfe angesaugt und komprimiert, wodurch ihre Temperatur auf den Wert T4 steigt, gleichzeitig wächst ihr Energieinhalt durch die Verdichtungsarbeit LK auf Q4 = Q3 + LK. Im Kondensator 4 der Wärmepumpe werden die Dämpfe nunmehr abgekühlt und verflüssigt, wobei sie ihren Energieinhalt an den Verdampfer 1 der Dampfmaschine abgeben und die Verdampfung des Wärmeträgers im Dampfmaschinenkreis herbeiführen. Im Idealfall verläßt der Wärmeträger den Verdampfer 1 mit der Temperatur T1 - T4. In der DampSmaschine wird dann ein Teil der zugeführten Wärmeenergie Q4 = Q1 nach der Beziehung Q1 = LD + Q2 in mechanische Arbeit LD umgewandelt, während der Rest Q2 im Kondensator 2 anfällt und von da dem Verdampfer 3 der Wärmepumpe zugeleitet wird. Damit ist der Kreis geschlossen und der Ausgangszustand wieder erreicht.
  • Paßt man die Gleichungen für die Wärmeenergien in den einzelnen Stufen zusammmn, so erhält man Q2 + Q0 + LK = Q3 + LK = Q4 = Q1 = LD + Q2 Die sugehdrigen Temperaturen sind T4 ( Q4 ), T3 ( Q3 ), T2 ( Q2 ), T1 ( Q1 ) und T0 ( Q0 Dabei ist nach Voraussetzung T4 = T1 > T3== T0 > T2 .
  • Die verwertbare Nutzarbeit wird also schließlich LN = LD - LK = Q0 .
  • Im Idealfall, der selbstverständlich in der Praxis nicht ganz verwirklicht werden kann, würde also die zugeführte Wärmeenergie voll in mechanische Arbeit umgewandelt werden.
  • Ferner sei darauf hingewiesen, daß anstelle des im Beispiel betrachteten Dampfmaschinenkreises selbstverständlich auch ein thermoelektrischer Kreis 0. dergl. verwendet werden kann. Bei Benutzung von Thermoelementen z.B. würde man die warmen Lötstellen dem Kondensator 4 der Wärmepumpe und die kalten Lötstellen dem Verdampfer 3 zuordnen. An die Stelle der Dampfmaschine träte dann z.B. ein Elektromotor als Antriebsmaschine für die Wärmepumpe Daß diese Kombination von Wärmepumpe und Thermoelementen eine besonders einfache Möglichkeit bietet, durch Elektrolyse den leicht transportablen Wasserstoff hersustellen, sei nur am Rande vermerkt.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel wurde eine Wärmepumpe mit Kompressor gewählt, es können aber auch-Absorptions- oder Adsorptionsmaschinen verwehdet werden. Dabei erscheint die Kombination dieser Maschinen mit Thermoelementen besonders vorteilhaft, da dann als einziges Gerät mit bewegten Teilen nur noch eine einfache Lösungspumpe vorhanden ist. Auch diese würde bei periodischem Betrieb noch entfallen, sodaß sich keine dem Verschleiß unterworfenen Teile mehr in der Apparatur befinden und die erforderliche Wartung minimal wird.
  • Schließlich sei noch erwähnt, daß die Breadenergie Q0 natürlich auch an einer anderen Stelle des Wärmepumpenkreises eingespeist oder zusätzlich zu einer anderen - eventuell bereits vorhandenen - Beheizung des Wärmeträgers des Dampfmaschinenkreis es eingeführt werden kann. Diese letztere Möglichkeit bietet sich beispielsweise bei einer Verbindung von Solar-und Kernkraftwerken kleiner Leistung an.
  • Bei den vorstehenden Betrachtungen wurde angenommen, daB die äußere Wärmequelle, die die Wärmeenergie Q0 in den Wärmepum penkreis einspeist, die Temperatur T0 hat. Es steht aber nichts im Wege - wie z.B. bei Solarabsorbern üblich - eine Wärmequelle zu versenden, deren Temperatur T0 kleiner als T0 ist, und die von ihr gelieferte Wärmemenge Q0' mit Hilfe einer weiteren Wärmepumpe auf das Temperaturniveau To zu heben. Die dazu erforderliche Verdichtungsarbeit LK'errechnet sich nach der bekannten Beziehung LK' = Q0 - Q0' = Q0 ( T0 - T0' ) / T0 ' und muß ebenfalls von der Dampfmaschine aufgebracht werden. Die in diesem Falle erreichte mechanische Nutzarbeit verringert sich i@-folgedessen auf LN' = Q0,, ideale Verhältnisse vorausgesetzt.

Claims (4)

  1. Patentansprüche Kombination eines Wäriekraftaaschinen- und eines Wärmepumpenkreises zum Zwecke der wirtschaftlichen Umwandlung der Energie einer Wärmequelle, insbesondere einer solchen mit relativ niedrigem Temperaturniveau, in mechanische bzw. elektrische Energie, dadurch gekennzeichnet, daB die Wärmeenergie in den Wärmepumpenkreis eingespeist wird.
  2. 2. Kombination eines Wärmekraftmaschinen- und eines Wärmepumpenkreises nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmekraftmaschine im weitesten Sinne ein thermoelektrischer Kreis o.dergl. verwendet wird.
  3. 3. Kombination eines Wärmekraftmaschinen- und eines Wärmepumpenkreises nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Wärmepumpenkreis eingespeiste Wärme energie zusätzlich su einer anderen im Wärmekraftmaschinenkreis wirksamen Wäriequelle verwendet wird.
  4. 4. Kombination eines Wärmekraftmasch@@en- und eines Wärsepumpenkreises nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die eingespeiste Wärmeenergie von einer weiteren Wärmepumpe geliefert wird.
DE19803032921 1980-09-02 1980-09-02 Kombination eines waermekraftmaschinen- und eines waermepumpenkreises Withdrawn DE3032921A1 (de)

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