-
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.