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Titel
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Super-Wärmepumpe Anwendungsgebiet Die Erfindung betrifft einen elektro-mechanisch
betriebenen Energie-Wandler zur Gewinnung von Hochtemperatur-Heizwärme aus 1-Temperatur-Kaltspeichern
in Luft, Boden und Gewässern.
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Stand der Technik Es ist bekannt daß zur kostengünstigen Beschaffung
von Heizwärme die sog. Carnot'sche Wärmepumpe verwendet werden kann.
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Diese Maschine hebt vorhandene 1-Temperatur-Wärme um etwa 20 bis
40°C mit einem Gütegrad Q1 ~ T2 10 We1 T2 - T1 7 an, und hat damit eine gewisse
volkswirtschaftliche Bedeutung für Heizzwecke in Privathaushalten und Industrie-Betrieben
erlangt.
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Kritik des techn. Standes Der Carnot'sche Kompressions-Prozess gilt
schulmäßig als elementares Funktions-Prinzip aller Wärmekraftmaschinen, das nicht
weiter zu vereinfachen ist.
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Eine genauere Betrachtung zeigt aber, daß der schwingende Kolben
des Carnot'schen Druckkammer-Systems nicht die Möglichkeit hat, den mit dem Wärmedurchfluß
verbundenen Druckstörungen auszuweichen. (1-Weg-Prozess) Daraus ergibt sich auch
der besondere Mangel einer unvollständigen Umwandlung der zugeführten Wärme (Q1)
in mech. Energie und - umgekehrt -der mit mech. Arbeitsaufwand verbundene Wärmeübergang
des Pump-Prozesses.
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Befindet sich dagegen der Kolben mit dem kompressiblen Medium in
einem geschlossenen Strom-
Kritik des techn. Standes -kreis (bzw.
Rohrkreis), dann werden alle inneren Druckstörungen antiparallel, d.h., beidseitig
auf den Kolben wirken und dort ohne Berücksichtigung der Reibung (FR=O) eine Null-Summe
bilden. (2-Wege-Prozess) Beim Wärmepumpen kommt es damit zu einer vollständigen
Rückgewinnung der mech. Betriebsenergie am symmetrierten Kompressor gemäß der Beziehung
und zu einer neuen Definition des Carnot'schen Gütegrades (g).
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Es muß gelten: # = lim Q1/W = # WO Da dies im Ideal-Fall einem selbständig-spontanen
Wärmeübergang zur höheren Temperatur T2 > T1 gleichkommt, kann die einfache Umkehrung
des Wärmestroms nach T1 keine mech. Energie liefern.
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Die vollständige Umkehrbarkeit des Temperaturgefälles im Super-Carnot-l'rozess
zeigt jedoch die praktisch überprüfbare allgemeine Transformierbarkeit der Wärme
offenkundig an - und zwar in Koexistenz mit den irreversiblen Vorgängen und dem
2-ten Hauptsatz der Thermodynamik.
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Aufgabe Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, 1-Temperatur-Wärme
mit einem grundsätzlich verbesserten Carnot-Prozess, dem 2-Wege-Prozess, auf höhere
Temperatur zu bringen.
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Dadurch sind technische Pumpverhältnisse der Wärmeübertragung (#)
erreichbar, die etwa um den Faktor C = 50 höher liegen, als der Gütegrad des 1-Weg-Prozesses.
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Lösung (Teil 1) Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst,
daß der Wärmeträger, ein gasförmiger Arbeitsstoff, in einem geschlossenen Rohrkreis
Lösung
(Teil 1) umläuft, der unter dem Einfluß eines äußeren konservativen Kraftfeldes
(r) steht.
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Der Umlauf wird durch einen Förderkolben oder Propeller erzwungen.
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Dies führt zur Ausbildung von 2 vertikal wirksamen Rohrabschnitten,
die kurz als Fall und Steigrohr zu bezeichnen sind und gut isolierte Wände haben.
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Ein Paket des Umlaufgases durchwandert Fall und Steigrohr im Sinne
eines Kreisstroms und speist dabei seine;
@(im Steigrohr) aus dem
Vorrat seiner inneren Energie (U).
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Ein nicht-ideales Gas kühlt ab, weil es in Gebiete niederen Drucks
eindringt, also adiabatisch expandiert.
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Im Fallrohr kehrt sich der Prozess um: Das Gas wird adiabatisch komprimiert
und erwärmt sich.
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Auf diese Weise bilden sich über den Vertikalen 3 innere thermodynamische
Zustands-Skalen aus.
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Steigrohr-Skala über #r (2 3): I) TA bis TA + #T II) V1 " V1 + #V
III) p1 11 p1 - #p Fallrohr-Skala über Ar (4 1): I) (TA + #T) bis TA II) (V1 + #V)
" V1 III) (P1 - #p) p1 Die gepumpte Wärme Q1 tritt mit T1 = TA in den oberen Vertikal-Pol
des Rohrkreises ein und mit T2 = TA + #T am unteren Vertikal-Pol wieder aus.
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Zieht man die Pole des Rohrkreises zu waagerechten Rohrstücken auseinander,
dann bilden sich unter Beachtung des Wärmedurchflusses 4 Prozess-Strecken mit den
folgenden Zustands-Skalen aus: 1) Untere Waagerechte mit Wärmeaustritt (1 2) TA
+ # T bis TA P1 +#p(#T) bis P1 V1 = const; r1 = const.
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Lösung (Teil 1) II) Steigrohr, isoliert (2 3) TA bis TA - #T A A V1
" V1 + #V p1 " p1 - #p (#r) r1 " r1 + #r III) Obere Waagerechte mit Wärmeeintritt
(3 4) TA - #T bis TA P2 bis p2 + #p(#T) V2 = const; r2 = const; IV) Fallrohr isoliert
(4 1) V1 + #V bis V1 TA bis TA + #T P1 - #p bis P1 Für die mech. Arbeit am Förderkolben
(bzw.Propeller) bei FR=O sind die wirksamen Druckunterschiede verantwortlich.
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Dazu kann man eine Maschengleichung der durchlaufenen Drücke aufstellen.
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Bei festgelegtem Umlaufsinn gilt: #p(#T)12+#p(#r)23-#p(#T)34-#p(#r)41
= 0 Allgemein: #p = 0 Ohne Berücksichtigung der Reibung und des Strömungswiderstands
ist folglich die aufzuwendende Kompressorarbeit grundsätzlich gleich Null d .h.,
im pV-Diagramm zerfällt die Fläche der mech.
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Pumparbeit in einen negativen und einen positiven Halbteil.
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In Bild 1 sind Carnot und Super-Carnot-Prozess noch einmal zum Vergleich
schematisch dargestellt.
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Lösung (Teil 2) Die Bereitstellung eines konservativen Kraftfeldes
ausreichender Stärke stößt zunächst auf Schwierigkeiten.
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Ein Gas mit der spezifischen Wärmekapazität c = 0,2 kcal/kg.grd p
kühlt sich bei adiabatischer Entspannung um tr/h = 1°C/100 m im Erdschwerefeld ab.
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Lösung (Teil 2) Um gigantische Bauwerke zu vermeiden, muß ein technisch
verstärktes Ersatzkraftfeld benutzt werden.
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Der vorhandene industrielle Standard bietet hier als gegenwärtig
bequemste Lösung die Verwendung der Zentrifugal-Kraft an.
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Die potentielle Energie Wpot = m.g.#h hat in der Zentrifuge die Form
Wpot = m.#.2(R2- r2) und kann irdische Höhendifferenzen von #h= = 2000 m ersetzen,
das entspricht z.B. für Luft einer Temperaturdifferenz von #T(#h) = 20°C.
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Ohne Berücksichtigung der Reibung enthält die Zentrifuge die gespeicherte
Rotationsenergie Wrot = ½ J #2; # = const.
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Bei koaxialer Einspeisung und konstantem Massendurchlauf ändert sich
das Trägheitsmoment J nicht weiter.
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Lösung (Teil 3) Die spontane Temperatur-Transformation im konservierten
Kraftfeld der Zentrifuge läßt sich verstärken, wenn man die Temperaturen TA + AT
bzw TA - ßT dem Kraftfeld wiederholt zuführt.
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Beim 2-ten Durchlauf des Wärmeträgers ändern sich die Temperaturen
auf TA + 2dT bzw TA - 2AT bei n-fach wiederholtem Durchlauf allgemein auf TA + #To/#
; # = Wirkungsgrad d. Austauschers.
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Auf diese Weise lassen sich in Abhängigkeit vom Übertragungsverlust
Temperatur-Differenzen von nehr als 3000C erzielen, ohne das eine Steigeruhig der
pech. Hilfsenergie erforderlich wäre.
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(selbsterregte Temperatur-Rückkopplung) Erzielbare Vorteile Die mit
der Erfindung erreichbaren Vorteile
Erzielbare Vorteile sind vielfältig.
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a) Nahezu kostenloser Wärmegewinn aus der Umgebung unabhängig von
der Tages oder Jahreszeit für alle Heiz -und Kühlzwecke.
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b) Höchster Gütegrad des Pumpverhältnisses auch bei relativ hohen
Temperaturdifferenzen c) Kleinflächigere Wärmeaustauscher d) Experimentelle Überprüfbarkeit
der praktisch erreichbaren Spitzen-Gütegrade e) Radikale Senkung der globalen Energiekosten,
im Falle der Nassenproduktion volkswirtschaftlicher Stabilisierungseffekt f) Förderung
aller Recycling-Produktionen g) Weitgehender Ersatz von Verbrennungswärme und damit
deutliche Fremdstoff-Entlastung der Atemluft h) Verdrängung atomarer Zerfalls-Energie.
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Ausführungs-Beispiel In den Figuren ibis 8 sind Prinzipien und Ausführungsbeispiele
des Super-Carnot-rozesses näher dargestellt.
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Dabei zeigen im einzelnen: Fig. i Gegenüberstellung von Carnot-schem
Kolben-Zylinder-System und kraftfeldgeprägtem Rohrkreis nach Taktfolge, Energie-Bilanz
und Gütegrad Fig. 2 -Zentrifugal geprägter Gas und Wärmefluß mit thermischer Rückkopplungsstelle
4.a Fig. 3 Koaxial gespeiste Durchlaufzentrifuge (i) mit Förderkompressor (2) den
Wärmetau -schern (4a,b1c) sowie Überdruckventil (5) zur Stabilisierung des mitrot.
Gasmantels Fig. 4 und 5 Zwei Rohrkreisvarianten des Super-Carnot-Prozesses Fig.
6 bis 8 Wärmefluß-Schema des rückgekoppelten Rohrkreises, schrittweise auf 3 Austauscher
reduziert
Ausführungs-Beispiel Aus Sicherheitsgründen sollte die
Zentrifuge in einer Bodenvertiefung stehen oder ein genügend stabiles Gehäuse haben.
(Zentrifugen-Technologie) Anlassen Kompressor und Zentrifuge werden eingeschaltet
und gehen auf Sollfrequenz.
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Das Umlaufgas beginnt zu zirkulieren und ändert im Einflußbereich
des Zentrifugalfeldes seine Anfangs-Temperatur (TA) auf TA ffi T.
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Die geänderten Temperaturen kehren über den Rotor-Stator-Austauscher
mit dem Gas strom wiederholt in die Zentrifuge zurück, bis die erforderlichen Hoch
und Tief-Temperaturen erreicht sind.
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Danach kann die Wärme Q(T2) über den Austauscher (4-b) zum Verbraucher
gehen.
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Die damit verbundene Dämpfung des ltückkopplungs-Zweiges muß sich
in Grenzen halten, damit die Hochtemperatur T2 bestehen bleibt.
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Die genaue Berechnung aller Wärmeflüsse unter Beachtung der Werkstoffeigenschaften
ist kompliziert und muß mit größerem wissenschaftlich-technischem Aufwand durchgeführt
werden.
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