DE3233473A1 - Waermekraftanlage mit "gas-dampf-kreisprozess", zur vollstaendigen umwandlung von waerme in mechanische arbeit - Google Patents

Description

• Wärmekraftanlage mit Gas-Dampf-Kreisprozeß", zur voll-
• ständigen Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftanlage mit einem Gas-Dampf Kreisprozeß", zwecks vollständiger Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit, insbesondere für Wärmekraftwerke (Fossil- und Kernkraftwerke) und Fahrzeugantriebe (Wasser-, Schienen- und Kraftfahrzeuge), so'Nie zur Verwendung als Kältemaschine.
• Bei derartigen Wärmekraftanlagen ist ein Kreisprozeß erforderlich, bei dem die Abwärme einschließlich des Arbeitsstoffs in den Kreisprozeß bei möglichst geringem Arbeitsaufwand (Kompressorarbeit) zurückgeführt wird Eine Möglichkeit zur Erfüllung dieser Erfordernisse ist es beispiels weise, den aus der Dampfturbine austretenden Naßdampf isentrop auf den Siedezustand zu verdichten und somit die Erwärmung des Speisewassers im Kessel zu umgehen. Diese Möglichkeit scheiterte jedoch bisher, weil die Verdichtung eines Wasser/Dampf-Gemisches ohne Kondensation des Damp anteils praktisch nicht zu bewerkstelligen ist (BWK-po/ue, 23.11.81).
• Aufgrund dieser negativen Ergebnisse ist man schon seit der Erfindung der Dampfmaschine dazu übergegangen, eine vollständige Kondensation durchzuführen. Dies ermöglichte zwar das Zurückführen des Kondensats in den Kessel bei minimaler Kompressorarbeit der Kesseispeisepumpe und damit die Herstellung eines Kreisprozesses, aber nur durch Inkaufnahme hoher Wärmeverluste, die in Form von Kondensationswärme (= Verdamp fungswärme, bei Wasser sind dies rund 540 kcal/kg !) an die Umwelt verloren gehen.
• Da also bei den bekannten Dampfkreisprozessen Kondensationswärme an die Umwelt abgeführt werden muß, kann die dem Kreisprozeß zugeführte Primärwrme zu bei dieser bekannten Betriebsweise niemals vollständig in Arbeit umgesetzt werden. Carnot (1796 - 1832) und später CQausius (1822 - 1888) haben die grundlegende Frage geklärt, welche Arbeitsmenge im günstigsten Falle aus einer Wärmemenge qzu gewonnen werden kann, wenn fUr einen Maschinenprozeß eine obere (To) und eine untere (Tu) Temperaturgrenze gegeben und verwertbar sind.
• Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Erwärmung und Verdamp fung der Speisefldssigkeit ueber den Kessel bezw. Uber den Verdampfer zu vermeiden und damit ohne Abgabe von Kondensationswärme (und damit ohne Bildung von Kondensat) den aus der Dampfturbine austretenden feuchten Dampf unmittelbar in den Kreisprozeß zuruckzupumpen.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, indem der Arbeitsstoff zwischen dem überhitzten (d. h. ungesättigten) und nur wenig bis trocken gesättigten Zustand durchlaufen wird. Da der Kreisprozeß also nur die Gas- und Dampfphase durchläuft, kann er als 11Gas-Dampf-Kresprozeß" bezeichnet werden.
• Für eine adiabatische/isentrope Zustandsänderung im Uberhitzungs- und Sättigungsgebiet eines Gases oder Dampfes gilt allgemein die rein empierische Beziehung P . vX = konstant, (Poissontsches Gesetz) worin der Adiabatenexponent X (Kappa) die Abweichung von der isothermen Zustandsänderung angibt (bei isothermer Zustandänderung ist X = 1).
• Im Sättigungsgebiet ist für adiabatische/isentrope Kompression in der Nähe der oberen Grenzkurve (Taulinie im T,s-Diagramm) zwischen 1 und 25 bar fUr Wasserdampf ae = 1,155 und bei adiabatischer/isentroper Expansion im Uberhitzungsgebiet X = 1,9 3 Dieses unterschiedliche Verhalten bei adiabatischer/isentroper Zustandsänderung beim Durchlaufen der Druck-Volumen-Kennlinien im Uberhitzungs-und Sättigungsgebiet ermöglicht es, in einem solchen Kreisprozeß aus der Wärme des Arbeitsstoffs mechanische Arbeit zu gewinnen, ohne dabei +) R. C. M. Heck Mech. Engng. Bd. 52 (1930) S. 133. Siehe auch R. Plank, Thermodynamische Grundlagen, Berlin/Göttingen/Heidelberg 1953, s. 141, Abb. 64a.
• Abwärme an die Umwelt abführen zu müssen. Auf diese Weise ist es grund sätzlich möglich die dem Kreisprozeß von außen zugeführte Primärwärme vollständig (zu 100 % !) in mechanische Arbeit zu konvertieren und dam: Primärenergie, zum Beispiel aus fossilen und nuklearen Energieträgern, im großen Maßstab (bis etwa 70 °/0) einzusparen und im gleichen Maßstab die Umweltverschmutzung durch Schadstoffe herabzusetzen.
• Da Kaltdämpfe bezw. Kaltgase (aus niedersiedenden Flüssigkeiten durch Wärmezufuhr erzeugt) im überhitzten und gesättigten Zustand ähnliche Abweichungen in ihrem Druck-Volumen-Verlauf aufweisen wie die von Wasser dampf, ist es damit auch hier grundsätzlich möglich in sich ausgeglichf und niedertemperierte Primärwärme, z. B. Wasser-, Luft- oder erdboden wärme, mittels Kaltdampfkraftmaschinen zu nutzen und damit eine neue, regenerative Energiequelle zu erschließen 1).
• Der kleinere Adiabatenexponent M für gesättigten Dampf hat seine Ursach in der viel größeren Wärmeaufnahmefähigkeit (Verdampfungswärme !) geger Uber dem von überhitztem Dampf. Da die Temperatur von gesättigtem Dampf bei der Komprimierung demzufolge bei gleichem Ausgangsdruck weniger stc ansteigt, ergibt sich für den rückzuführenden gesättigten Dampf bezw.
• für den Naßdampf 2) ein entsprechend kleineres Volumen und damit auch einen entsprechend kleineren Arbeitsaufwand gegenüber dem bei der vxpar sion zuvor aus dem überhitzten Dampf 3) (bei höherer Temperatur und größerem Volumen) gewonnenen Arbeit. Damit erhält man aus beiden Arbeit prozeßen eine positive Differenzarbeit, die der dem Kreisprozeß von außen zugeführten Uberhitzungswärme (= Primärwärme) äquivalent ist.
• 1) Viele sind der Meinung, man könne Wärme "ohne Vorhandensein eines Temperaturgefälles gegen die Umgebung" nicht in mechanische Arbeit umwandeln, ohne dabei dem zweiten Hauptsatz der Wärmelehre zwangsläufig zu widersprechen. Dieser Irrtum infolge mangelnder Kreativitä hat die Menschheit an den Rande des Abgrundes geführt (inergiekriese 2) Naßdampf ist ein Gemisch aus trocken gesättigtem Dampf und siedender Flüssigkeit, die meistens in Form winziger Tröpfchen im Dampf schweb und so eine Art Nebel bildet.
• 3) Uberhitzter Dampf besitzt die Eigenschaften eines nahezu idealen Gases. Es befolgt die Gasgesetze (P'v = P'T, P-v/T = konst.) umso genauer, je weiter es vom Siedepunkt entfernt ist.
• Um ein möglichst großes Nutzarbeitsverhältnis (Expansionsarbeit/Kompressionsarbeit) zufolge dieses unterschiedlichen Verhaltens aus der Warme des Arbeitsstoffs gewinnen zu können, ist es für den praktischen Betrieb vorteilhaft, den Arbeitsstoff möglichst hoch und während der xpansionsphase mehrmals zu überhitzen. Da bei mehrmaliger Zwischenüberhitzung die Wärmeflache im Uberhitzungsgebiet im Verhältnis zu der in Sättigungsgebiet bezw. Naßdampfgebiet zunehmend größer wird, erhält man auch ein zunehmend größeres Nutzarbeitsverhältnis pro Arbeitszyklus und damit auch eine zunehmend höhere Leistungsdichte der Wärmekraftanlage gegenüber bei nur einmaliger Uberhitzung.
• Die mit der Erfindung erzielbaren wesentlichsten Vorteile sind: a) Bei Wärmekraftwerken (Fossil- und Kernkraftxerken) Einsparung von 60...70 % an Primärenergie und in der gleichen Größenordnung reduziert Schadstoffabgabe bei gleicher Kraftwerksausgangsleistung. (Der Mehraufwand von etwa 50 % an Maschinen -(an Dampfturbinen und Kompressoren)- ist durch Einsparung des Kraftwerkskondensators, der Kesselspeisepumpe und der Kühltürme etwa ausgeglichen.) b) Betrieb der Wärmekraftwerke unabhängig von irgendwelchen Kühlsystemen (Kühltürmen, Flußläufen, Seen usw.), da keine Warme an die Umwelt abgegeben werden muß. Dadurch freizügige Standortwahl, insbesondere für Kernkraftwerke.
• c) Anwendung der Wärmekraftmaschine mit dem "Gas-Dampf-Kreisproze" an Fahrzeugantrieben (für Wasser-, Schienen- und Kraftfahrzeuge) bei hoher Wärmewirkungsgrad (th = 1) und damit etwa 6o...7o °,% verminderter Kraftstoffverbrauch und Schadstoffabgabe bei gleicher Ausgangsleistung d) Bereitstellung einer neuen, regenerativen nergiequelle aus Umwelt wärme, insbes. aus Wasser- und Luftwarme, bei relativ hohem Nuzzwrrregefälle (T = 80 OC) und überall leichter Zugänglichkeit laser.
• m Luft und Erdboden) sowie dauernde Nutzungsmöglichkeit (Tag und Nacht, Sommer und Winter) durch Bau von Kaltdampfkraftanlagen bezw. von Kaltdampfkraftwerken im großen Maßstab.
• e) Erzeugung von Elektrizität und Wasserstoff mit der nach d) ausreichend erzeugbaren mechanischen Arbeit bei kontinuierlicher Auslastung der Kraftwerke und damit vollständige Lösung des heutigen vnergieproblems ohne Umweltbelastung. (Einführung einer sogenannten "Elektrizitäts-und Wasserstoffwirtschaft" durch Bau von Kaltdampfkraftwerken.) Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestell und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Abb. 1 das grundsätzliche Schaltbild der Wärmekraftanlage bei einmaliger Uberhitzung Abb.1.1 eine Teilzeichnung zu Abb. 1 bei Betrieb mit einer Kolbenmaschine Abb. 2 das Druck-Volumen-Diagramm (P,v-Diagramm) zu Abb. 1 bei einmaliger Uberhitzung Abb. 3 das Temperatur-Entropie-Diagramm (T,s-Diagramm) zu Abb. 1 und bei einmaliger Uberhitzung Abb. 4 das P,v-Diagramm bei dreimaliger Uberhitzung Abb. 5 das T,s-Diagramm bei dreimaliger Uberhitzung.
• Die grundsätzliche Ausführung der Wärmekraftanlage für Heiß- oder Kaltdampfbetrieb gemäß dem Schaltbild Abb. 1 und 1.1, besteht aus folgenden Bauelementen: a Dampferzeuger (Kessel zur Erzeugung von Sattdampf für Inbetri nahme) b Entnahmeventil c Uberhitzer t Turbine (Expansionsmaschine) k Kompressor (Verdichter) e Kolbenmaschine mit Einlassventil v und Rückschlagventil r (als Teilzeichnung zu Abb. 1).
• FUr die Inbetriebsetzung der Wärmekraftanlage (Abb. 1 und 1.1) wird im Dampferzeuger a durch Zuführung von Flüssigkeits- und Verdampfungswärme qf + qr zunächst trocken gesättigter Dampf (Sattdampf) vom Zustand 1 (Abb. 1) erzeugt. Danach wird über das Ventil b dem Uberhitzer c soviel Sattdampf zugeführt, daß bei weiterer Aufheizung im Uberhitzer c it Uberhitzungswärme qü der Betriebsdruck P - bei entsprechender Dampfentnahme - konstant bleibt (Abb. 2 und 3). Dies wird erreicht, indem während der Inbetriebsetzung der in den Uberhitzer einströmende Dampf bei zunehmender Volumenzunahme im "Durchlauf" bis in den Zustand 2 überhitzt wird (bis Tü) ) und die Dampfentnahme über die Expansionsmaschine so bemessen wird, daß der Betriebsdruck möglichst konstant bleibt. Bei Inbetriebnahme müssen die Maschinen "angeworfen" werden.
• Die Regelung auf konstante Drehzahl - z. B. bei Kraftwerksbetrieb -bei variabler Leistungsanforderung kann, wie bisher, durch entsprechende Temperaturänderung oder auch durch Zu- oder Abschalten parallel besrifbener Uberhitzer oder durch Zu- oder Abschalten parallel laufender Maschinensätze oder durch alle drei genannten Maßnahmen gleichzeitig vorgenommen werden.
• Bei der Ausführung als Kolbenmaschine (Abb. 1.1) wird die Expansion und Kompression in einem einzigen Zylinder durchgeführt. Es können jedoch auch zwei voneinander getrennte Zylinder verwendet werden, wobei in einem die Expansion und im andern die Kompression durchgeführt wird.
• Die Ausführungen nach Abb. 1 und 1.1 können sowohl mit Reißdampf als auch mit Kaltdampf betrieben werden. Für eine optimale Anpassung der Siedetemperatur an den zur Verfügung stehenden Energieträger bezw.
• Primärwärmequelle sind entsprechend geeignete Arbeitsstoffe zu verwenden.
• Abb. 2 zeigt das (unmaßstäbliche) P,v-Diagramm für die Wärmekraftanlage der Ausführung nach Abb. 1 und 1.1. Die in Abb. 2 angegebenen Adiabatenexponenten X gelten für überhitzten und gesättigten Wasserdampf in Druckbereich von 1-25 bar. Die Adiabate 2->3 mit # = 1,3 gilt für die Expansion im Uberhitzungsgebiet und der Adiabatenexponent M = 1,135 für die Adiabate 3->1 im Sättigungsgebiet in der Nähe der Taulinie x = 1 (x = Dampfgehalt) 1). Mit den angegebenen Exponenten erhält man für v1 ein um etwa 23 % 2) vermindertes Volumen gegen v2 bei gleichem Druck P1 = p2 (Abb. 2). Mit zunehmendem Druckverhaltnis P2/P3 vermindert sich auch das Volumenverhältnis v2/v1 entsprechend. Bei P2/P3 = 10^/1 wird z. B. v1 um 40 % kleiner als v2.
• 1) Zwischen x = 0 und x = 1 spricht man von "feuchtem Dampf" oder "Naßdampf". x = 0,9 ist z. B. feuchter Dampf mit 1 - x = 0,1 Flüssigkeitsanteil, oder eine Mischung aus 90 % Dampf und 10 % Flüssigkeit.
• 2) Berechnet mit der allgemeinen Gleichung: v2/v1 l (P1/P2) 1/ Mit p2/p3 = 10/1 , # 2->3 ' 1,3 , 3 = 1,135 wird v1 = 0,773 v2 bei v2 = 1. Die Indizes der Rechenwerte beziehen sich auf Abb. 2.
• Da zur Gewinnung von mechanischer Arbeit aus dem Kreisprozeß der Adiabatenexponent X für die Expansion größer sein muß als für die Kompression ( # 2->3 > #3 ->1 ) geht hervor, daß ein Betrieb allein im Uberhitzungsgebiet oder allein im Sättigungsgebiet nicht möglich ist, da in jedem dieser beiden hypothetischen Betriebsfälle beide P,v-Kurven Deckungsgleich wären und somit keine (positive) Differenzarbeit übrig bleiben würde.
• Um den Kreisprozeß Optimal zu betreiben (Schließung des Kreisprozesses bei Punkt 1) ist Voraussetzung, daß soweit in das Naßdampfgebiet expandiert wird (von Punkt 2' bis 3, Abb. 3), daß die Entropiedifferenzen bis zur Erreichung der Taulinie (x = 1) gleiche Energieinhalte ausweise Es muß also sein: 53 - 54 = S3, - S3 (Abb. 3). Entsprechendes gilt auch bei mehrmaliger Zwischenüberhitzung (Abb. 5). Ferner ist für einen optimalen Betrieb Voraussetzung, daß im Kreislauf keine andersartigen Dämpfe oder Gase (mit anderen Taupunkten) als das des eigentlichen Arbeitsstoffs eingeschlossen sein dürfen, wie z. B. Lufteinschlüsse.
• Diese würden die Kompressorarbeit unnötig vergrößern und damit unter Umständen die Leistung der Wärmekraftanlage stark herabsetzen.
• Sämtliche Anlageteile, außer dem wärmeaufnehmenden Verdampfer und Uberhitzer sowie dessen Zu- und Ableitungen, müssen gegen innere Wärmeabgabe (bei der Heißdampfkraftanlage) bezw. gegen äußere Wärmeaufnahme bei der Kaltdampfkraftanlage) gut wärmeisoliert sein.
• Wie aus dem P,v-Diagramm (Abb. 4) zu ersehen ist, wird die effektive Nutzarbeitsfläche umso größer, je öfters man überhitzt. Das N-utzarbeits verhältnis (Expansionsarbeitsfläche / Kompressionsarbeitsfläche) ist hier wesentlich größer als bei nur einmaliger Uberhitzung (Vergleich Abb. 4 mit Abb. 2). Dies geht auch aus dem Vergleich der beiden T,s-Diagramme (Abb. 5 mit Abb. 3) hervor. Für den praktischen Betrieb ist es daher vorteilhaft, eine mehrmalige Zwischenüberhitzung vorzusehen.
• Aus Abb. 4 und 5 läßt sich bei 3-maliger Zwischenüberhitzung (bei Tü = u 500 Oc) ein Nutzarbeits- bezw. Nutzwärmeverhältnis abschätzen von: Expansionswärmefläche 1-2-3-4-5-6-7-8-1 3 Kompressionswärmefläche 7-1-8-7 1 d. h. die Expansionsarbeit ist etwa 3-mal so groß als die Kompressorarbeit. Dies bedeutet, daß bei 3-maliger Uberhitzung (bei Tü # 50C OC) etwa 75 % von der insgesamt in mechanische Arbeit umgesetzten Warme als Effektivarbeit (Weff) nach außen abgeführt und 25 % dem Kreisprozeß wieder in Form von Wärme und potentieller Energie zurückgeführt werden 1 Die nach außen abgeführte Arbeit Weff entspricht dabei der vom Kreisprozcß von außen aufgenommenen Drimärwärme qü ges . Es ist also: Weff äquivalent qü ges.
• Der theoretische thermische Wirkungsgrad der Wärmekraftanlage (Expansionsmaschine plus Kompressionsmaschine) ergibt sich somit zu: Wab W2,3 - W2,3 - W3,1 Weff (75 %) nith,Anlage qzu qü ges. qü ges. (75%) Der theoretische thermische Wirkungsgrad der Expansionsmaschine allein ist selbstverständlich im besten Falle nicht größer als der einer idealen CARNOT-Maschine. Da hier die Abwärme in den Kreisprozeß zurückgeführt wird ist der theoretische Gesamtwirkungsgrad eben 100 % ! 2) Wegen der Rückführung des Arbeitsstoffs ist es also nicht notwendig, den Arbeitsstoff während der Expansionsphase bis auf 0 K zu entspannen, um einen Wärme wirkungsgrad von 100 % zu erreichen 1) Bei Dampfkreisprozessen mit vollständiger Kondensation des Abdampfes erreicht man dagegen ein wesentlich höheres Nutzarbeitsverhältnis. ormalerweise beträgt dieses bei Dampfkraftwerken etwa 99/1, d. h. 99 e5 der in mechanische Arbeit im Kreisprozeß umgesetzten Wärme können als Effektivarbeit nach außen nutzbringend abgeführt werden, während nur etwa 1 % der Arbeit der Kesselspeisepumpe wieder zugeführt werden müssen. Wie schon erwähnt, muß aber dieser Vorteil durch einen sehr hohen Prlmärwärmeverlust erkauft werden, der in Form von Kondensationswärme verloren geht nd etwa 60...70 % des gesamten Wärmebedarfs des Kraftwerks ausmacht. Für das RiLckpumpen des Abdampfes müssen im obigen Falle zwar bei gleicher Kraftwerksausgangsleistung etwa 2.25 % = 50 % mehr an MaschInen (Dampfturbinen und Kompressoren) investiert werden, dafür können aber der Kraftwerkskrrdensator, die Kesselspeisepumpe, die Kühltürme sowie die gesamte Abwärme, die etwa 60...70 % der Primirenergie betrugt (ohne Berücksichtigung der regenerativen Speisewasservorwärmung), eingespart werden.
• 2) Die heutige Lehrmeinung - und die schon seit mehr als 150 Jahre -besagt jedoch, daß man Warme nur teilweise in mechanische Arbeit umwandeln könne, da eine vollständige Umwandlung letzten Endes dem zweiten Hauptsatz der Wärmelehre widerspräche. Dies trifft in der Tat natürlich für alle heutigen Wärmekraftmaschinen zu, die mit den üblichen Kreisprozessen dabei ten und somit ihre Abwärme an die Umwelt abgeben müssen. Auf die vorgeschlagene Wärmekraftanlage trifft dies jedoch nicht zu, da aufgrund ihrer Betriebsweise die Abwärme im Kreisprozeß verbleibt und folglich der zweite Hauptsatz für die Wärmeabgabe nicht anwendbar ist; er ist lediglich für di< Wärmeaufnahme anwendbar. Daraus ergibt sich, daß die Wärmekraftanlage nur einen einzigen "oberen Wärmebehälter" benötigt.
• Der theoretische thermische Wirkungsgrad ist bei der vorgeschlagenen Wärmekraftanlage mit dem "Gas-Dampf-Kreisprozeß" unabhängig von der Temperaturhöhe der Wärmequelle bezw. vom thermodynamischen Temperaturgefälle Tm der gesamten Wärmeaufnahme. Das thermodynamische Temperaturgefälle wirkt sich hier lediglich auf das Nutzarbeitsverhaltnis aus.
• Dieses ist bei niederen Temperaturgefällen kleiner als bei gro3en. Bei mehrmaliger Zwischenüberhitzung kann das Nutzarbeitsverhältnis jedoch bei allen Temperaturgefällen vergrößert werden, da die Taulinie (x = 1 Abb. 5) nach rechts stark abfällt und somit die Uberhitzungswärmefläche (Fläche unterhalb der Linie 1 bis 6) gegen die Naßdampfwärmetläcne (Fläche unterhalb der Linie 7 bis 1) größer wird. Für ein hohes Nutzarbeitsverhältnis sind insbesondere drei Forderungen möglichst weitgehez zu erfüllen: 1. hohes thermodynamisches Temperaturgefälle 2. hoher Dampf- bezw. Gasdruck 3. mehrfache Zwischenüberhitzung Was das thermodynamische Temperaturgefälle anbetrifft, kann dieses insbesondere mit Hochtemperaturreaktoren erfüllt werden. Damit steigt auch das Nutzarbeitsverhältnis noch stärker an, als oben angegeben wurde Bei Verwendung eines Kältemittels als Arbeitsstoff läßt sich auch mit niedertemperierter Umweltwärme, z. B. mit Wasser-, Luft- oder Erdbodenwärme (mit oder ohne Temperaturdifferenzen gegen die Umgebung), überhitzter Kaltdampf erzeugen und damit schon bei einmaliger Uberhitzung ein relativ hohes Nutzarbeitsverhältnis von etwa 2/1 erreichen. on der in mechanische Arbeit umgesetzten Wärme (100 %) können demnach 2/3 nach außen als Effektivarbeit nutzbringend abgeführt werden, während di Restarbeit von 1/3 als sogenannte Kompressorarbeit dem Kreisprozeß wied in Form von Wärme und potentieller energie zugeführt werden. Auch wenn in diesem Falle das Nutzarbeitsverhältnis wesentlich ungünstiger ausfäl als bei der Bereitstellung hoher Temperaturen durch hochwertige Energie träger (Kohle, Öl, Kernenergie), so hat diese Betriebsweise mit Umgebun wärme den großen Vorteil, daß Primärenergie umsonst und unbegrenzt zur Verfügung steht und immer (Tag und Nacht) und überall auf der Erde leic zugänglich ist. Da die thermodynamische Mitteltemperatur T m bei Kaltgasen im Mittel etwa 80 oC betrugt, kann damit eine relativ hohe Energie dichte von etwa 20...40 % heutiger Wärmekraftwerke (bei Tm = 400*..200 erreicht werden.
• Um mit Kaltdampfkraftmaschinen Wärme "ohne Temperaturdifferenzen gegen die Umgebung" überhaupt nutzen zu können, muß man einen Arbeitsstoff verwenden, dessen Siedetemperatur noch bei relevantem Betriebsdruck (Siededruck) unterhalb der der Umwelttemperatur liegt, so daß cie Warme bei der Aufnahme in den Kreisprozeß ein fallendes Temperaturgefälle vorfindet. Die Temperatur der Umweltwärme (Primärwärme) muß dabei wegen des benötigten Wärmegefälles noch etwas höher liegen als die angestrebte Uberhitzungstemperatur des Arbeitsgases. (Damit ist dem zweiten Hauptsatz der Wärmelehre bezw. dem Entropiesatz entsprochen, da die Wärme nun vom höheren zum tieferen Niveau fließen kann !) Als Arbeitsstoffe eignen sich hierzu Kältemittel mit sehr niederen Siedepunkten, wie z. B. die folgenden Halogen-Kohlenwasserst-offe sie aufweisen R14 (CF4), R21 (CHF C12), R22 (CHF2Cl) und R23 (CHF3).
• So läßt sich beispielsweise mit dem Kältemittel R14 (CF4, Siedepunkt: 1,013 bar, -128 OC) bei einem Betriebsdruck von p2= 22 bar im Verdampfer (a) gesättigten Kaltdampf von T1 = -50 OS erzeugen (aus der Dampfdruckkurve für das Kältemittel R14 entnommen) und - z. B. mit Wasserwärme von 4 OC - im Uberhitzer (c) bei konstantem Druck P1 = P2 = 22 bar bis auf T2 = -20 oC überhitzen. In einer Expansionsmaschine (t, e) kann man den so erhaltenen überhitzten Dampf (= Gas) bis auf beispielsweise p3 = 2 bar entspannen, wobei unter Arbeitsabgabe die Temperatur auf T3 = -124 °C fällt 1). Dabei erreicht man ein mittleres thermodynamisches Temperaturgefälle von T m X 800C und ein Nutzdruckgefälle von a p = 20 bar.
• Bei Umschließung des Uberhitzers mit einem Isolierbehälter, der gleichzeitig zur Einlagerung von Kühlgut geeignet ist (Kühlschrank), läßt sich die angegebene Kaltdampfkraftanlage auch als Kältemaschine" betreiten.
• Die nach außen abgegebene mechanische Leistung ist dann der Kältele ssurg äquivalent. Falls die mechanische Arbeit bei dieser Betriebsweise nicht als solche genutzt werden kann, muß sie in Reibungswarme (mechanische Bremsvorrichtung) oder auch in elektrische Arbeit (Generator) umgewandelt und auf diese Weise an die Umgebung abgeführt werden.
• 1) Berechnet mit der Gleichung: T3/T2 = (p2/p3) Mit T2 = -20 °C = 253 K, P2/p3 = 20/2 und k = 1,3 wird T3 = 149 K = -124 oC . Die Indizes 2 und 3 beziehen sich auf Abb. 2.
• Die Wärmekraftanlage kann auch zum unmittelbaren Antrieb einer Wärmepum benutzt werden. Auf diese Weise kann das Mehrfache (im Mittel das 3-fac der aufgewendeten Verdichterarbeit (= Wärmekraftmaschinenarbeit) erhalt werden. Die Wärme kann dabei aus der gleichen oder aus zwei verschieden Quellen bezogen werden (Anwendung für Raumheizungen etc.).
• Für den Betrieb von Kaltdampfkraftanlagen bezw. von Kaltdampfkraftwerke eignen sich insbesondere Wärmequellen von hohem Fnergieinhalt bei möglichst konstanter oberer Arbeitstemperatur. Als ergiebigste Arbeitsquel kommt also Wasser infrage, wie z. B. Meer-, See- oder Flußwasser. Auch künstlich angelegte Wasserreservoirs am flrt des Verbrauchers eignen sic vorteilhaft.
• Aus 1 m3 Wasser von z. B. 20 °C kann man bis zur völligen Eisbildung, also einschließlich mit Nutzung der Latentwärme (80 kcal/kg), eine mechanische Arbeit von etwa kcal 105 1 105 kcal 1 Wmech. Qp / m³ 7 mth, Anlage m³ 116,3 860 860 kcal/kWh = 860 kcal/kNh kEh/m gewinnen. Daraus können praktisch - über elektr. Generatoren - etwa 100 kWh elektrische Arbeit erzeugt werden. Hierzu liefert die Latentwär des Wassers in diesem Falle allein 80 % dieser Energie bei konstanter Arbeitsquellentemperatur bei +4 °C (bei Verlegung des Erhitzers in di tieferen Wasserschichten, z. B. in einen natürlichen oder künstlich angelegten See. Hierzu vergl. man DE 30 09 653 Al, Seite 15-18).
• Aus 1 km3 Wasser (etwa lo % der Wassermenge des Bodensees) würde man somit rund io11 kNh elektrische Arbeit gewinnen können, die allein in den kalten Wintermonaten bei Außentemperaturen unter 0 OC, also ohne Zufluß von Umgebungswäre von außen, als Energiereserve zur Verfügung ständen.
• Da nach der vorgeschlagenen Wärmekraftanlage Umweltwärme in mechanisch bezw. technische Arbeit konvertiert werden kann und diese überall auf der Erde leicht zugänglich ist und unbeschränkt zur Verfügung steht (auch in kalten Jahreszeiten), ist die Kaltdampfkraftanlage hinsichtlic ihrer praktischen Auswirkung für die Menschheit ebenso bedeutungsvoll wie ein wirklich funktionierendes Perpetuum mobile 2. Art (langfristige Energieversorgung mittels Umweltwärme, insbesondere aus Wasserwarme, durch Bau von Kaltdampfkraftwerken). Dies bedeutet die Lösung des vnerg problems über eine sogenannte "Elektrizitäts- und Wasserstoffwirtschaft Bei Betrieb des Kreisprozesses mit einem Heißdampf, z. B. mit Wassergamp! als Arbeitsstoff, lassen sich die bisher in Wärmekraftwerken verwendeten fossilen und nuklearen Energieträger, die in Form von Wärme auf den Kreisprozeß übertragen wurden, vollständig nutzen, d. h. vollstrndig in mechanische Arbeit konvertieren und somit 60...70 % der Primärenergie einsparen. Gleichzeitig vermindert sich die Umweltbelastung durch Schadstoffe um den gleichen Prozentsatz gegenüber den derzeitigen Wärmekraftwerken bei gleicher elektrischer Kraftwerksleistung (kurzfristige energie einsparung und Umweltschonung durch Einführung des Gas-Dampf-Kreisprozesses in die bereits vorhandenen Wärmekraftwerke).
• Da der Wärmewirkungsgrad, wie bisher ausführlich beschrieben wurde, bei jedem beliebigen Temperaturgefälle an der Wärmekraftanlage theoretisch immer 100 % ist, läßt sich folgende "neue wissenschaftliche Erkenntnis" aussprechen: 1. Wärme kann vollständig in mechanische Arbeit umgewandelt werden.
• Dabei ist es gleichgültig, ob die Temperatur der umzuwandelnden Wärmemenge über, auf.oder unter dem Umgebungstemperaturniveau liegt. Daraus folgt eine weitere Erkenntnis: 2. Energie in Form von Umwueltwärme kann in einem dauernden (eigen) Kreislauf abwechselnd in den Zustandsformen "Wärme" und "mechanische Arbeit" auftreten:

  mechanische Arbeit

  Umwelt wärme --> (evtl. über elektrische oder --> Umweltwärme

  chemische Energieform

  Man kann dies auch wie folgt formulieren: 3. Energie in Form von Umweltwärme kann von selbst (mittels einer geeigneten Maschine) in einem dauernden (ewigenffKisroze von einem exergetisch niederen in einen exergetisch höheren Zustand und umgekehrt, übergehen.
• (Reversibler technischer Kreisprozeß oder: "periodisch arbeitende Maschine mit ausgeglichener Umweltwärme",) Dieser Maschinen-Kreisprozeß entspricht dem Kreislauf, den die belebte Natur bei der Entwicklung all ihrer Erscheinungsformen schon seit Jahrmillionen benutzt. Es ist ein sich ständig wiederholender, reversibler Kreislauf (biologischer Kreislauf), der hier mit Hilfe des hochwertigen Energiestromes des Sonnenlichtes ermöglicht wird.
• Der von W. Ostwald, R. Clausius und M. Planck verschiedenartig ausgesprochene "Zweite Hauptsatz der Wärmelehre", wie z. B. in der Formulierung von M. Planck: "Es ist unmöglich, eine periodisch funktionierende Maschine zu konstruieren, die weiter nichts bewirkt als Hebung eines Gewichtes und entspre chende Abkühlung eines Wärmereservoirs", hat natürlich nach wie vor seine volle Anwendbarkeit für Wärmekraftmaschinen, die ihre Abwärme (Verdichtungs- oder Xondensationswärme) an ihre Umgebung abführen müssen. Für die vorgeschlagene Wärmekraftanlaf mit dem Gas-Dampf-Kreisproze" findet der zweite Hauptsatz lediglich für die Wärmeaufnahme in den Kreisprozeß seine Anwendung. Für die Wärmeabgabe (Abwärme) kann er dagegen nicht angewendet werden, da keine Wärme ri sondern nur mechanische Arbeit vom Kreisprozeß nach außen, an die UTmgebung, abgeführt wird.
• Für die Funktionsfähigkeit der erfindungsgemäßen Wärmekraftanlage sind insbesondere zwei Bedingungen zu erfüllen: 1. Der Siedepunkt des Arbeitstoffs, bei dem noch ein relevanter Betrieb druck erreicht wird, muß unterhalb der Temperatur der Umweltwärme liege Damit ist der Bedingung des zweiten Hauptsatzes entsprochen, d. h.
• enttropische Wärmeaufnahme in den Kreisprozeß. (Wärme fließt nur von einem Körper höherer zu einem von niederer Temperatur !) 2. Die (indizierte) Druck-Volumen-Kurve bei der Rückführung des Arbeits stoffs in den Anfangszustand muß niedriger verlaufen als die (indiziert Druck-Volumen-Kurve bei der Expansion des Arbeitsstoffs. Dies wird hier mit dem sogenannten "Gas-Dampf-Kreisprozeß" erreicht, da der Arbeitsstoff bei der Expansion die Figenschaften eines Gases und bei der Kompression die eines Dampfes hat, was - gemäß dem Poissonschen Gesetz p t v zea = konstant - durch die unterschiedlichen Adiabaten-xpcnenten de (Kappa) zum Ausdruck kommt # exp. a4,ompr.
• Diese beiden Bedingungen gelten auch bei Betrieb der Wärmekraftanlage mit Wärme, dessen Temperatur unterhalb der der Umgebungstemperatur lieg Für die Gewinnung von mechanischer Arbeit aus Wärme genügt also nunmehr auch ein einziger Warmebehälter, genauso, wie dies bisher schon bei der Gewinnung von Wärme aus Arbeit möglich war.
• Mit diesem Vorhaben, d. h. "der vollständigen Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit", stand man bis heute vor einem ähnlichen Problem wie damals, bei der Entdeckung der "elektrischen Induktion" durch Michael Faraday (1791-1867): In beiden Fällen hatte man Erwartungen gehabt, die naturgesetzlich nicht zu erfüllen waren: Bei der "elektrischen Induktion erwartete man einen elektrischen Strom, ohne dafür Arbeit bezw. Energie aufzuwenden.
• Bei der wwWärmekraftanlage mit Speisung aus Umweltwärme" (sogenanntes Perpetuum mobile zweiter Art) erwartete man, daß Wärme von selbst von einem kälteren zu einem wärmeren Körper übergehe.
• Im 1. Fall widersprach das dem Energieerhaltungssatz (Energie kann weder neu entstehen noch vergehen; sie kann nur umgewandelt werden).
• Im 2. Fall widersprach das dem Entropiesatz bezw. dem zweiten Hauptsatz der Wärmelehre, der für diesen Anwendungsfall lautet: "Wärme kann nicht von selbst von einem kälteren zu einem wärmeren Körper, sei es direkt noch indirekt übergehen" (Formulierung nach Clausius).
• Jeder, der bis hierher "durchgehalten" hat, muß festgestellt haben, daß die vorgeschlagene Wärmekraftanlage kein "Perpetuum mobile ist, weder eines der ersten noch der zweiten Art", sondern eine Maschine, die, wie jede andere Wärmekraftmaschine, nur unter Berücksichtigung der für sie zuständigen Naturgesetze - in diesem Falle im Einvernehmen mit dem ersten und zweiten Hauptsatz der Wärmelehre - arbeitet und daher funktionsfähig ist. Damit ist erstmals in der Geschichte der Menschheit eine Maschine denkbar, die aus "thermisch ausgeglichener Umweltw-irme" mechanische Arbeit bereitstellen kann.
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Claims (5)

1. Patentansprüche 1. Wärmekraftanlage mit Gas-Dampf-Kreisprozeß, zur vollständigen Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit, insbes. für Wärmekraftwerke, Fahrzeugantriebe und Kältemaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeit.

   stoff den Kreisprozeß zwischen dem überhitzten, gasförmigen Zustand und dem gesättigten bis trocken gesättigten Zustand durchläuft und somit die laufende Erwärmung und Verdampfung der Speiseflussigkeit über den Kessel (bei Heißdampfkraftanlagen) bezw. über den Verdampfer (bei Kaltdampfkraftanlagen) vermieden ist.
2. 2. Wärmekraftanlage mit Gas-Dampf-Kreisprozeß, zur vollständigen Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der in den Kreislauf des Gas-Dampf-Kreisprozeßes "einmalig eingeführte trocken gesattigte Dampf (Zustand 1) in einem Uberhitzer durc Zuführung von Uberhitzungswärme in den ungesättigten, überhitzten Zustand bei konstantem Druck Ubergeführt wird (Zustand 12), daß der überhitzte Dampf einer (beliebigen) Expansionsmaschine zuströmt und in dieser Adiaba Isentrop bis in den Sättigungszustand übergeführt wird (Zustand 25), daß der erhaltene gesättigte Dampf in einer (beliebigen) Kompressionsmaschine Adiabat/Isentrop bis in den Anfangszustand (Zustand 3-komprimiert wird.
3. 3. Wärmekraftanlage mit Gas-Dampf-Kreisprozeß nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß während der Expansionsphase das Gas einer mehrmaligen Zwischentiberhitzung unterzogen ist und der Kreisprozeß im Prinzip sowohl mit überhitztem Heißdampf (z. B. mit Wasserdampf) als auch mit überhitztem Kaltdampf (z. B. mit dem Kaltgas R14 = CF4) betreibbar ist.
4. 4. Wärmekraftanlage mit Gas-Dampf-Kreisprozeß nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß - insbesondere bei Kaltdampfkraftanlagen -eine Regelung auf konstante Drehzahl bei wechselnder Leistungsentnahme durch Zu- oder Abschalten parallel betriebener Maschinensätze und/oder durch Zu- oder Abschalten parallel betriebener Uberhitzer vorgenommen ist.
5. 5. Wärmekraftanlage mit Gas-Dampf-Kreisprozeß nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von Wärme und/oder Kälte die Warmekraftanlage als "Kaltdampfkraftmaschine" betrieben ist, wobei sie bei der Gewinnung von Wärme oder Kälte unmittelbar zum Antrieb einer Wärmepumpe/Kältemaschine genutzt ist, und bei der Erzeugung von Kälte allein, der Uberhitzer der Wärmekraftanlage mit einem wärmeisolierenden Behälter umgeben ist, der gleichzeitig zur Aufnahme von Kühlgut dient.