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Dampfkraftmaschinen-Krelsprozeß mit Rückführung der Abwärme mittels
eines mehrstufigen Wärmepumpenprozesses, insbesondere für Dampfkraftwerke (Heiß-
und Kaltdampf).
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Vorliegende Erfindung betrifft einen Dampfkraftmaschinen-Kreisprozeß
mit einem zwischen dem Kondensator und dem Kondensat-Hochdruckkreis des Dampfkraftprozesses
betriebenen mehrstufigen Wärmepumpe, zwecks regenerativer Rückführung der Kondensationswärme
(= bisherige Abwärme) in den Dampfkraftmaschinen-Kreisprozeß, insbesondere für Heiß-
und Kaltdampfkraftwerke mit fossiler oder nuklearer Kesselbeheizung oder mit geothermischer
und/oder Umgebungswärme beheiztem Verdampfer (bei Kaltdampfbetrieb).
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Der vorgeschlagene Dampfkraftmaschinen-Kreisprozeß besteht aus dem
in Dampfkraftwerken üblichen und bekanntem "Clausius-Rankine-Prozeß" (Kondensation6prozeß)
und einem bisher noch nicht bekannten mehrstufigen, regenerativen Wärmepumpenprozeß,
der aufgrund seiner Betriebsweise innerhalb des Naßdampfgebietes (in der Nähe der
oberen Grenzkurve im T,s-Diagramm) arbeitssparend, d. h. energiesparend betrieben
werden kann. Die mechanische Antriebsleistung kann dabei unmittelbar aus der gewonnenen
mechanischen Turbinenleistung abgezweigt werden. Man spart so einen separaten Antriebsmotor
für die Wärmepumpe. Die Regelung der Wärmepumpe hinsichtlich ihrer Temperatur und
Leistung kann über ein Regulierventil (RV) oder Uber eine regelbare Flüssigkeitsturbine
vorgenommen werden.
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Da nach dem angewendeten Arbeitsprinzip die Turbinen-Abrärme und die
aufgewendete mechanische Arbeit für die Wärmepumpe dauernd der Speiseflüssigkeit
Regenerativ zugeführt wird, ist dem Kessel bezw. Verdampfer nur der von der Wärmekraftanlage
nach außen abgeführte mechanische Arbeitsbetrag in Form höher temperierter Wärme
zu ersetzen, d. h. die der Anlage von außen zugeführte Wärme Qzu ist gleich der
von der Anlage nach außen abgeführten mechanischen Arbeit Wab, oder: Wab ist das
mechanische Wärmeäquivalent von Qzu- Daraus ergibt sich der theoretische Wärmewirkungsgrad
für die Anlage zu 100 % : Wab = = 1.
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#th,Anlage Qzu
Als Anlage wird hier allgemein das
"gesamte energieumwandelnde System verstanden. Gemäß diesem Arbeitsprinzip ist also
eine vollständige Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit möglich, was mit dem
bisherigen Dampfkraftmaschinen-Kreisprozeß (Clausius-Rankine-Prozeß) nicht möglich
ist wegen der notwendigen Wärmeabfuhr nach außerhalb der Anlage. der vorgeschlagene
Dampfkraft-Kreisprozeß übertrifft somit auch den bekannten Carnot-Prozeß, der von
allen bisherigen Kreisprozessen zwar den größt möglichen Wärmewirkungsgrad aufweist,
aber dennoch bei den in der Praxis üblichen thermodynamischen Wärmegefällen, insbesondere
bei kleinen Primärwärme-Temperaturen, weit unter "eins" liegen kann:
(To = obere, Tu = untere Temp.) Erst bei T =oo würde qc = 1 werden.
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Der erfindungsgemäße Dampfkraftprozeß ist infolge der Kondensationsrärmerückführung
vollständig unabhängig vom sogenannten "unteren Wärmebehälter der Umgebung". Als
"unterer Wärmebehälter" dient hier der bei Entspanntemperatur verflüssigte Arbeitsstoff,
dem mittels der Wärmepumpe bei niederem Druck und konstanter niederer Temperatur
die Kondensationswärme entzogen und bei stufenweise höherem Druck u. höherer Temperatur
wieder zugeführt wird +). Da somit der vorgeschlagene Dampfkraftprozeß wegen seiner
Abwärmefreiheit an das Temperaturniveau seiner Umgebung nicht mehr gebunden ist
und sein Wärmewirkungsgrad bei allen vorhandenen thermodynamischen Wärmegefällen
immer gleichgroß und "eins" ist (#th, Anlage = 1 = konstant), mit läßt er sich ebenso
forteilhaftvniedertemperierter Wärme, z. B. mit Kernspaltwärme , geothermischer
Wärme oder mit "in sich ausgeglichener Wärme" (= Wärmequellen ohne Temperaturdifferenz
gegenüber einem abwärmeaufnehmenden Bezugssystem) betreiben, wie z. B. mit Umgebungswärme
(Wasser-, Luft- oder Erdbodenwärme). Dazu muß ein entsprechend tiefsiedender Arbeitsstoff
verwendet werden, dessen Siedetemperatur noch bei erheblichem Arbeitsdruck angemessen
weit unterhalb der Temperatur der aufzunehmenden Primärwarme liegt. Der Wärmewirkungsgrad
ist auch bei dieser Betriebsweise als "Kaltdampfkraftmaschine" 100 yO, wie schon
für den Heißdampf-Kraft prozeß oben angegeben wurde.
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+) Die Formulierung des 2. HS nach M. Planck: "ls ist unmöglich gilt
nur für Wärmekraftprozesse, die ihre Abwärme nach außerhalb der Wärmekraftanlage
- an die Umgebung - abgeben müssen.
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++) Da die heutigen Kernkraftwerke sich nur mit relativ niederen Temperatur
ren betreiben lassen, ergäbe sich bei Anwendung des vorgeschlagenen Dampfkraftprozesses
eine weitaus bessere Nutzung der Kernspaltwärme und damit eine entsprechende Streckung
der Kernspaltstoffe.
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Die Höhe der Betriebstemperatur wirkt sich dabei lediglich auf die
Größe der abgebbaren Arbeit oder Leistung der Wärmekraftanlage aus, d. h. bei hohem
thermodynamischen Wärmegefälle ist sie entsprechend höher als bei niederem, was
auch für die bisherigen Wärmekraftprozesse in dieser Hinsicht zutrifft.
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Das Zurückführen der Kondensationswärme erfordert für die Kompressoren
der Wärmepumpe mechanische Arbeit. Diese ist unmittelbar proportional zu der Höhe
des zu Uberrindenden Temperaturgefälles, das man für die Kondensation des Abdampfes
als auch zur Ubertragung auf das Kondensat am Kondensator der Wärme pumpe benötigt
bezw. zuläßt. (Man kann die zu übertragende Wärmemenge nämlich beliebig aufteilen
auf die Arbeit und die Wärmetauscher-Fläche 1 Denn es ist die übertragbare Wärmemenge:
Q = a . A . (tl - t2); (a = Wärmeübergangszahl, A = Fläche, t - t2 = dt = Temperaturgefälle
an der Wärmetauscherfläche A gegenüber dem Arbeitsstoff.) Läßt man beispielsweise
bei einem thermodynamischen Wärmegefälle von dT = 5000C eines Heißdampfkraftprozesses
für die Wärmepumpe ein zu überwindendes Wärmegefälle von insgesamt aTWp= 1000C zu,
80 benötigt man zum Antrieb der Wärmepumpe etwa 20 % der an der Kraftmaschine (Turbine)
gewonnenen mechanischen Arbeit. Vermindert man das Wärmegefälle an der Wärmepumpe
jedoch auf die Hälfte, also auf zTSp= 50°C, so benötigt man auch nur die Hälfte,
also 10 % der Turbinenarbeit für den Antrieb der Wärmepumpe. Die restliche Turbinenarbeit
von 80 % bezw. 90 % kann somit von der Anlage nutzbringend abgeführt werden.
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Mit der im vorgegebenen Beispiel reduzierten Leistungseinbuse von
etwa 10 % bezr. 20 % können bei Heißdampfkraftwerken gleicher Leistungen etwa 50
% Primärwärme ( = die im Kessel bei hoher Temperatur erzeugte Verdampfungswärme
!) eingespart werden. Mit der Einsparung dieser Primärwärme reduziert sich ebenfalls
der Schadstoffausstoß eines derartigen Kohle- oder Kernkraftwerkes um etwa denselben
Betrag, also um etwa 50 %.
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Da sich nach den vorgegebenen Beispiel die Ausgangsleistung des Kraftwerks
um ca. 10...20 % vermindert, müssen zur Erzeugung gleicher Ausgangsleistungen gegenüber
bisherigen Kraftwerkstypen entsprechend letstungsstrkere Maschinen (Dampfturbinen,
Pumpen, usw.) von etwa 30.. .50 % mehr als bisher investiert werden. Dieser Mehraufwand
kann jedoch zum Teil durch einsparung der bisher notwendigen Khltürme abgefangen
werden;
der restliche Maschinen-Mehraufwand ließe sich jedoch in relativ kurzer Betriebszeit
durch Einsparung der relativ teueren Primärenergie (Kohle- oder Kernbrennstoffe)
amortisieren.
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Bei Kaltdampfkraftwerken, die nach dem erfindungsgemäßen Prinzip arbeiten,
wird wegen dem relativ kleinen thermodynamischen Wärmegefälle die aufzuwendende
Rückkopplungsarbeit für die Wärmepumpe relativ groß, so daß die Effektiv nutzbare
Arbeit relativ klein und der Maschinenaufwand entsprechend groß wird. Da hierbei
jedoch Wärmeenergie unmittelbar aus der Umgebung (Wasser-, Luft- oder Erdbodenwärme)
umsonst und dauernd zur Verfügung steht, sowie ohne Schadstoffemission genutzt werden
kann, stellt der höhere Maschinenaufwand kein entscheidendes Hindernis dar zur Realisierung
eines derartigen regenerativen Kaltdampfkraftwerkes.
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Als ergiebigste Wärmequelle stände dabei die Wärme des Wassers (Meer-,
See- oder Flußwasser) zur dauernden Verfügung, das auch in extrem kalten Jahreszeiten
(bei Lufttemperaturen 0O0) bei relativ hoher und nahezu konstanter oberer Temperatur
(bei 4°C->0°C + 80 kcal/kg Latentwärme bei 0°C) im großen Maßstab genutzt werden
könnte (Kaltdampfkraftwerke). So ließen sich beispielsweise aus 1 m3 Wasser von
2000 bis zur völligen Eisbildung, also einschließlich mit Nutzung der Latentwärme
bei OOC, theoretisch etwa 116 kWh mechanische Arbeit, oder über elektr. Generatoren,
praktisch noch etwa 100 kWh elektrische Arbeit gewinnen+). Aus 1 km³ Wasser folglich
10¹¹ kWh elektrische Arbeit ! Da das Wasser bei 40r die größte Dichte hat, also
am schwersten ist, ließe sich bei Verlegung des Verdampfers in die tiefsten Wasserschichten
auch die Latentwärme des Wassers nutzen, welches sich über dem Verdampfer befindet.
So könnte man in kalten Jahreszeiten oder in geographisch kalten Gebieten bei entsprechenden
Wasserreserven, z. B. aus einem natürlichen oder künstlich angelegten See, ausreichend
mechanische Arbeit bezw. elektrische Arbeit oder Energie gewinnen.
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+) Die gewinnbare mechanische Arbeit ergibt sich zu
| W - Qzu/ l 9th,Anlage - 1 o kcal . 1 |
| mech. - 860 kcal/kwh 860 kcal/kWh |
| 100 kWh/m3 elektr. Arbeit. |
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Die mit der Erfindung erzielbaren wesentlichsten Vorteile sind: a)
Bei Wärmekraftwerken (Fossil- und Kerakraftwerken) Einsparung von Primär energie
in der Größenordnung der derzeitigen Kondensationswärmeverluste (etwa 50 % der Primärenergie)
und in der gleichen Größenordnung reduzierte Schadstoffabgabe bei gleicher Kraftwerksausgangsleistung;
b) Betrieb der Wärmekraftwerke unabhängig von irgendwelchen KWhlsystemen (z. B.
von Kühltürmen, Flußläufen, Seen usw.), da keine Wärme (Kondensations- oder Verdichtungswärme)
an die Umwelt abgegeben werden muß. Dadurch freizügigere Standortwahl als bisher,
insbesondere für Kernkraftwerke da diese nunmehr weder an Kühlwasser noch an den
Lagerort des Primärenergieträgers gebunden sind; c) Bereitstellung einer neuen,
regenerativen Energiequelle aus Umseltwärme, insbesondere aus Wasserwärme, durch
Bau von Kaltdampfkraftwerken bei völlig umweltfreundlicher Betriebsweise; d) Erzeugung
von Elektrizität und Wasserstoff mit der nach c) ausreichend erzeugbaren mechanischen
Arbeit bei kontinuierlicher - und damit wirtschaftlicher - Auslastung der Kaltdampfkraftwerke,
und damit vollständige Lösung des heutigen Energieproblems bohne Umseltbelastung"
(Einführung einer sogenannten "Elektrizitäts- und Wasserstoffwirt6chaftZ' durch
Bau von vielen Kaltdampfkraftwerken).
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Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung (für HeiB- und Kaltdampf)
sind in den Zeichnungen, Abb. 1...15, dargestellt und werden im folgenden näher
beschrieben. Es zeigen Abb. 1 das Temperatur-Entropie-Diagramm (T,s-Diagramm) für
den Wärmekraftmaschinen-Kreisprozeß für Heißdampfbetrieb, mit einem separat eingezeichneten
2-stufigen Wärmepumpenprozeß zwecks Rückführung der Abwärme; Abb. 2 das zu Abb.
1 gehörende Prinzip-Schaltbild der Wärmekraftanlage; Abb. 5 ein zu Abb.l u. 2 gehörendes
(vereinfachtes) Energieflußbild der Anlage;
Abb.4 das Prinzipschaltbild
der Kaltdampfkraftanlage mit Zwischenüberhitzung und Energiezufuhr aus einer niedertemperierten
Wärmequelle, z. B. aus normaler Wasser- oder Luftwärme; Abb.5 das zu Abb. 4 gehörende
T,s-Diagramm mit separat eingezeichnetem 2-stufigen Wärmepumpenprozeß; Abb.6 ein
in Schnittdarstellung gezeigtes Prinzipbild einer möglichen Bauausführung, gemäß
der in Abb. 4 gezeigten Kaltdampfkraftanlage bei Nutzung von Meer-, See- oder Flußwasser
als Energiequelle.
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(Die bei Abb. 6 eingezeichnete Eisdecke soll andeuten, daß auch ein
Betrieb im Winter, bei kalten Lufttemperaturen wesentlich unter 0°C, möglich ist
und der nutzbare Wasserwärme-Anteil dabei noch bei relativ hoher Temperatur im großen
Maßstab zur Verfügung steht.); Abb.7 das Energieflußbild zu Abb. 1...6 mit Erläuterungen
der im Energieflußbild angegebenen Bezeichnungen sowie mit mathematischen Ableitungen
zur Berechnung des theoretischen Wärmewirkungs grades für die Anlage sowie für die
Expansionsmaschine bezw. für die Turbine; Abb.8 ein Energieflußbild für die bisherigen
Wärmekraftmaschinen-Kreisprozesse mit Angabe des Wärmewirkungsgrades für die Anlage
und die Turbine (Darstellung zwecks Vergleich mit dem neuen Energieflußbild gemäß
Abb. 9); Abb.9 das Energieflußbild zu Abb. 1...6 mit getrennter Angabe des Wärmewirkungsgrades
sowohl für die Anlage als auch für die Turbine (zum Vergleich mit Abb. 8); Abb.10
Darstellung des Wärmeverlaufs für die derzeitigen Wärmekraftprozesse bei Abgabe
der Abwärme an die Umgebung (zugehörig zu Energieflußbild Abb. 8); Abb. 11 Darstellung
des Wärmeverlaufs für den hochtemperierten Wärmekraft-Kreisprozeß mit Ruckführung
der Abwärme (zugehörig zu Energieflußbild Abb. 9);
Abb.12 Darstellung
des Wärmeverlaufs für einen niedertemperierten Wärmekraft-Kreisprozeß , bei dem
neben der niedertemperierten Wärme (geothermische-oder Abwärme) noch zusätzlich
Wärme unterhalb dem Umgebungstemperaturniveau genutzt wird; Abb.13 Darstellung des
Wärmeverlaufs- und Bereichs, bei dem ausschließlich Wärme unterhalb dem Umgebungstemperaturniveau
genutzt wird, z. B. Wasser- oder Luftwärme; Abb.14 ein 3-stufiger Wärmepumpen-Kreisprozeß
mit Zwischenkuhlung bei stufenweiser isothermer Wärmeabgabe an einen Warmwasser-Heizkreis,
geeignet für tiefe Wärmequellentemperaturen um etwa 50C; Abb.15 das zu Abb. 14 gehörende
T,s-Diagramm mit Einzeichnung der Arbeitsersparnis zufolge des zur oberen Grenzkurve
angenähert äquidistanten Verlaufs der Kompressionslinie. (Hier ist das Arbeitsprinzip
der mehrstufigen, energiesparenden Wärmepumpe gezeigt, mit dem die in Abb. 2 und
4 verwendeten Wärmepumpenprozesse durchgeführt sind.) Beschreibung Gemäß dem T,s-Diaramm,
Abb. 1, umschließt der hochtemperierte Wärmekraft-Kreisprozeß die Warmefläche 1,1',2,ß,4,5,6,7,8,1.
Die einzelnen Zustandspunkte sind im Schaltbild, Abb. 2, an entsprechender Stelle
eingetragen. Der Wärmepumpenprozeß, der separat geführt ist, d. h. unabhängig vom
Wärmekraftmaschinen-Kreisprozeß arbeitet, umschließt die Wärmefläche (1),(2),(3),(4),(5),(6),(1)
unter der Voraussetzung, daß eine Flüssigkeitsturbine zur Entspannung des Arbeitsstoffs
verwendet ist.
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Hierbei wird mechanische Arbeit zurückgewonnen. Flüssigkeitsturbinen
sind jedoch nur bei sehr großen Anlagen angebracht. Bei kleineren Anlagen wird ein
Regelventil (RV) verwendet, über das die Entspannung des Arbeitsstoffs, bei h =
konstant (h = Enthalpi = Wärmeinhalt), vorgenommen wird. In diesem Betriebsfalle
wird die oben angegebene refläche mit dem Zustandspunkt (6') abgeschlossen.
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Die tatsächliche (effektive) Nutzwärme &zu = QT - (qO + 1Wwp)
ergibt sich aus der Differenz der beiden Wärme flächen, und daraus die tatsächliche
(effektive) Nutzarbeit Wab = WT - WWp . Die effektive Nutzwärme Qzu entspricht somit
der effektiven Nutzarbeit Wab, die Effektiv nach
außen abgeführt
und genutzt werden kann (QT = Turbinenwärme, qO = Turbinenabwärme, WT = TurbinenarbeittWwp
= Wärmepumpenarbeit). Die beiden Energiebeträge Wab und Qzu sind von gleicher Größe,
d. h. der nach außen abgeführte Arbeitsbetrag W ab ist das mechanische Wärmeäquivalent
der von außen zugeführten Wärme Qzu. Qzu setzt sich seinerseits aus der von außen
zugeführten Flüssigkeitswärme qf, der Verdampfungswärme r sowie der Uberhitzungswärme
qü zusammen. Es ist also Qzu = qf + r + qü . Da Qzu und Wab ihrem Energiebetrage
nach von gleicher Größe sind, ergibt sich der sogenannte "theoretische thermische
Anlagenwirkungsgrad" zu 100 %, also: von von der Anlage nach außen abgeführte Arbeit
qth,Anlage S der Anlage von außen zugeführte Wärme
Diese Gleichung (Gl.1) kann auch an Hand der Abb. 3, ausführlicher aus Abb. 7 oder
9, abgelesen werden.
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Durch das Zurückpumpen der Kondensationswärme in Form von Flüssigkeitswärme,
also bei kleinem Volumen, ist es möglich, die der Anlage (= energieumwandeldes System)
von außen zugeführte Primärwärme theoretisch vollständig in mechanische Arbeit überzuführen.
Dies kann mit keinem bis heute bekannten System oder Arbeitsprinzip laufend, d.
h. periodisch, erreicht werden ! Mit dem heute üblichen Dampfkraftprozeß (Clausius-Rankine-Prozeß)
ist dies unmöglich, weil die Turbinenabwärme in jedem Falle nach außen, an die Umgebung,
abgeführt werden muß und somit die von außen zugeführte Primärwärme nur zum Teil
(ca. 30...60 %) in mechanische Arbeit umgewandelt werden kann. Dies erfordert zwar
nur einen geringen Maschinenaufwand, bedingt aber gleichzeitig einen hohen Primärenergieverlust.
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Der auf die Expansionsmaschinen (HD-Turbine und ND-Turbine, Abb. 2)
bezogene thermische Wirkungsgrad ergibt sich selbstverständlich auch hier zu <
1 , da auch Abwärme von ihnen abgegeben wird. Tür die beiden 3ampfturbinen T1 und
T2 (Abb. 2) ergibt er sich zu Mth,Turbine
Diese Gleichung (G1. 2) kann unmittelbar aus dem zugehörigen Energie flußbild, Abb.
7 oder Abb. 9, abgelesen werden.
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Mit den Abbildungen 4...6 ist ein nach dem gleichen Arbeitsprinzip
arbeitender Kaltdampf-Kraftmaschinen-Kreisprozeß angegeben, worin Abb.4 das Schaltbild,
Abb. 5 das T,s-Diagramm und Abb. 6 eine mögliche Bauausführung in Schnittdarstellung,
mit Nutzung von Wasserwärme (Meer-, See- oder Flußwasser) zeigt. Um die effektive
Wärmefläche - und damit die abgebbare Leistung - möglichst groß zu machen, ist eine
2-malige Uberhitzung vorgesehen. Für den Kraftmaschinen- und Wärmepumpenprozeß ist
ein sehr tiefsiedender Arbeitsstoff vervendet, der auch noch bei tiefer Verdampfungstemperatur
einen ausreichend hohen Betriebsdruck erreicht. Mit dem Kältemittel R14 (CF4) steht
ein geeigneter Arbeitsstoff zur Verfügung, mit dem auch auf dem Temperaturniveau
der Umgebung stehende Primärwärmequellen genutzt werden können. Hierzu einige Daten,
die mit dem Kältemittel R14 erreicht werden können Siedepunkt SP. = -128,00C (bei
1,013 bar), Arbeitsdruck bei -400C +>: P - 40 bar, Zwischendruck nach Wahl, z.
B. Pz = 20 bar, Uberhitzungstemperatur T = -100C...00C, thermodynamisches Wärmegefälle
an der Expansionsmaschine: Tm 1000C.
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Da ein Kondensationsprozeß vorliegt, kann das gesamte Druckgefälle
(40 bar) an der Kondensationsturbine voll genutzt werden. Für den Wärmepumpenprozeß
werden bei den angegebenen Daten etwa 40 % der am Kraftmaschinenkreisprozeß freiwerdenden
mechanischen Arbeit zur Rückführung der Abwärme benötigt, so daß noch etwa 60 %
der an der Expansionsmaschine gewonnenen Arbeit als effektive Nutzarbeit nach außen
abgegeben werden können. Der thermische Anlagenwirkungsgrad ergibt sich hier ebenfalls
zu 100 % : = Wab(60 %) = 1 (Gl. 1.1) n1th,Anlage Qzu(60 %) Der thermische Anlagenwirkungsgrad
ist also auch hier unabhängig vom thermodynamischen Wärmegefälle, das infolge der
Expansion und Arbeitsab gabe des druckgespannten Arbeitsdampfes an den Expansionsmaschinen
vorhanden bezw. erzeugt wird.
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+) Damit ist die Auinahme der Primärwärme (Umgebung6wärme) in den
Kreisprozeß sichergestellt, da ein Temperaturgefälle durch Herabsetzen des Siedepunktes
(-4COC, 40 bar) erreicht wurde. Die Wärme kann also :tbergabt1 fließen, d. h. die
Voraussetzung zur Aufnahme in den Arbeitskreis steht im Einklang mit den Naturgesetzen
bezw. mit dem zweiten Hauptsatz der Wärmelehre.
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Um die Kälteleistung der Kaltdampfwärmepumpe durch unbeabsichtigte
Wärmeaufnahme aus der Umgebung nicht unnötig zu vergrößern, muß die außer Wärmeaufnahme
über die Wände des Kondensators der Kaltdampfkraftmaschine, seiner Zu- und Ableitungen
sowie der Expansionsmaschine durch eine entsprechende Wärmeisolation vermieden werden.
Bei der Inbetriebnahme muß die gesamte Anlage zuvor "angevorfen" werden bis die
notwendigen tiefen Temperaturen erreicht sind und somit die Kaltdampfwärmepumpe
mit normaler Kälteleistung (die für die Kondensation des Abdampfes notwendig ist)
arbeitet. Die Kaltdampfwärmepumpe kann unmittelbar mit der Expansionsmaschine (Dampfturbine
oder Kolbendampfmaschine) gekuppelt werden; evtl. zur Herabsetzung der Drehzahl
über ein Getriebe.
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Die Eigenschaften des verwendeten Kaltgases R14 (CF = Tetrafluormethan)
4 sind: Farblos, geruchlos, ungiftig und unbrennbar. Trotzdem ist es notwendig,
die Anlage gegen Leckverluste zu sichern. Um die Kaltdampfwärmepumpe und die Kaltdampfkraftmaschine
gegen Austritt von Kaltgas absolut dicht zu halten, kann beispielsweise die Ein-
bezw. Auskopplung der mechanischen Arbeit über ein elektromagnetisch erregtes Polrad
vorgenommen werden, dessen Gegen-Polrad auf der Antriebs- bezw. Abtriebswelle sitzt,
wobei der magnetische Kraftschluß der beiden Polräder über ein dünnwandiges, unmagnetisches
Zylindermantel-Gehäuse vorgenommen ist.
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Mit Abb. 7 ist das zu den Abbildungen 1...6 zugehörige Energieflußbild
gezeigt, worin die Bedeutungen der einzelnen Bezeichnungen ebenfalls aufgeführt
sind. Im Anschluß daran sind die Gleichungen für den theoretischen Wärmewirkungsgrad
sowohl für die Anlage insgesamt als auch individuell für die Expansionsmaschine
(Turbine) angegeben.
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Mit Abb. 8 ist ein Energieflußbild für die derzeit üblichen Dampfkraftmaschinen-Kreisprozesse
gezeigt, die ihre Abwärme an die Umgebung abführen müssen. Es dient zum Vergleich
des in Abb. 9 dargestellten neuen Energieflußbildes (das bereits mit Abb. 7 in ähnlicher
Darstellungsweise gezeigt wurde). Bei Abb. 8 (derzeitiges Energieflußbild) ist besonders
darauf zu achten, daß der thermische Anlagen- und der thermische Turbinenwirkungsgrad
identisch sind ()th,Anlage = T\th,Turbine>' während in Abb. 9 (neues vnergieflußbild
mit Rückführung der Abwärme) der thermische Wirkungsgrad fr die Anlage und die Turbine
unterschiedlich sind. Es ist, wie bereits oben beschrieben, der thermische
Turbinennirkungsgrad
qth,Turbine
der thermische Anlagenwirkungsgrad aber qth,Anlage
Wie zu ersehen ist, ist die von außen zugeführte Wärme in der Tat eine Differenzwärme
und die nach außen abgeführte Arbeit eine Differenzarbeit.
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Da beide Energiebeträge gleich groß sind, ergibt sich der Quotient
aus der abgegebenen Arbeit und der zugeführten Wärme (= theoretisch thermischer
Anlagenwirkungsgrad) eben zu 1 bezw. 100 %.
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Mit den Abbildungen 10.. .13 ist der Wärmeverlauf mit Aufteilung der
einzelnen Warme ge fa Ile an Wärmekraftmaschinenkreisprozessen gezeigt, wobei mit
Abb. 10 der bisher übliche Wärmeverlauf (mit Abwärme an die Umgebung) und mit Abb.
11...13 der neuartige Wärmeverlauf (mit Rückführung der Abwärme in den Kreisprozeß)
dargestellt ist. Die Abb. 1 1-13 zeigen verschiedene Temperaturbereiche, in denen
der erfindungsgemäße "Dampfkraftmaschinen-Kreisprozeß ohne Abwärme an die Umgebung"
betrieben werden kann. Hierin zeigt Abb. 11 den Wärmeverlauf bei Speisung aus einer
hochtemperierten Wärmequelle, Abb. 12 den Wärmeverlauf bei Speisung aus einer niedertemperierten
Wärmequelle (wobei gleichzeitig noch Wärme auf dem Umgebungstemperaturniveau genutzt
wird) und Abb. 13 den Warmeverlauf bei Speisung mit ausschließlich Umgebungswärme,
d. h. mit Wärme, die auf dem Umgebungstemperaturniveau steht, wie z. B. von Wasser-
oder Luftwärme.
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Mit ASh. 14 und 15 ist ein mehrstufiger (hier 3-stufiger) Wärmepumpenprozeß
gezeigt, wobei die Zwischenkühlung zwischen den einzelnen Komoressorstufen als "Nutzkühlung"
umfunktioniert ist, d. h. die Abwärme nischen den einzelnen Stufen wird nutzbringend
einem Verbraucher zugeerst, beispielsweise an einen Warmwasser-Heizkreis. Beim Dampfkraftmaschinen-Kreispro3eß,
nach Abb. 2 und 4, wird die Abwärme hingegen an das rückzuführende niedertemperierte
Kondensat (Wasser bezw. Kältemittel) abgegeben und Regenerativ der Speiseflüssigkeit
(H20, R14) zugeführt, aLso ebenfalls nutzcringend abgeführt.
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Wie aus dem T,s-Diagramm, Abb. 15, hervorgeht, verläuft der Kompressionsprozeß
mit Zwischenkühlung innerhalb des NaOdampfgebietes, in der Nähe der oberen Grenzkurve,
entlang den Treppenstufen mit den Zustandspunkten 1...6 (bei vielstufiger Ausführung
bildet die Treppenstufe quasi eine Linie und läuft äquidistant zur oberen Grenzkurve).
Dadurch, daß die Wärmeabgabe qOl, qO2, q03 usw. im Naßdampfgebiet vorgenommen ist,
erfolgt die Nutzwärmeabgabe Isotherm, d. h. die Arbeitsfläche WWP besteht aus lauter
aufeinandergestapelten Carnot-Prozessen, die den geringst möglichen Arbeitsaufwand
erfordern. WUrde man den Wärmepumpenprozeß ohne Zwischenkühlung (1-6tufig) durchführen
wie meist üblich, so müßte man weit in das Uberhitzungsgebiet komprimieren (von
1 bis I) und dabei wesentlich mehr an Arbeit für den gleichen Betrag an Wärme (q0)
aufwenden müssen, als bei Zwischenkühlung notwendig ist. Mit Zwischenkühlung spart
man somit die Differenz der beiden Arbeitsflächen, also den Arbeitsbetrag in der
Fläche 2-*6 6 - I - 2. Das sind, bei den angegebenen Temperaturen, etwa 35 % der
Arbeitsfläche und damit 35 % an Arbeit oder Energie gegenüber einer einstufigen
Ausführung. Der Maschinenaufwand ist insgesamt auch nicht größer als bei einer einstufigen
Ausführung, da das Kompressionsvolumen bei einer einstufigen Ausführung noch größer
ist bezw. gemacht werden müßte als das Kompressionsvolumen einer 3-stufigen Ausführung
zusammengenommen. Die mehrstufige Ausführung ist natürlich nur dort angebracht,
wo hohe Wärmegefälle überwunden werden müssen. So z. B. in kalten Jahreszeiten,
wo nur niedertemperiertes Wasser (z. B. Fluß- oder Seewasser) von ca. 5°C als Wärmequelle
zur Verfügung steht und die Temperatur des Heizkreises möglichst hoch sein soll.
Dieser mehrstufige Wärmepumpenprozeß kann somit auch forteilhaft beim vorgeschlagenen
Dampfkraftmaschinen-Kreisprozeß zur Rückführung der Abwärme verwendet werden, da
dabei relativ hohe Temperaturdifferenzen (ca. 500C...1000C) überwunden und große
Wärmemengen übertragen werden müssen.
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Für diejenigen, die nur oberflächlich die vorliegende Studie durch
arbeitet haben, kann nun leicht der Eindruck entstehen, es handle sich hier nun
um ein sogenanntes "perpetuum mobile zweiter Art", weil hier von einem Wärmewirkungsgrad
von "eins" (?th,Anlage = 1 ) die Rede ist, also Wärme vollständig in mechanische
Arbeit umgewandelt werden soll, was nach heutiger Kenntnis doch für unmöglich gehalten
wird, da der 2. Hauptsatz der Thermodynamik diesem Vorhaben doch widerspreche.
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Jeder, der die vorliegende Studie jedoch gründlich durchgearbeitet
hat, wird festgestellt haben, daß der vorgeschlagene Dampfkraft-Kreisprozeß gemäß
dem Schaltbild Abb.2 und 4, kein perpetuum mobile sein kann, weder eines der 1.
Art noch der 2. Art, sondern, schlicht und einfach, eine Maschine, die im Einvernehmen
mit den Naturgesetzen arbeitet - in diesem Falle im Einvernehmen mit dem 1. und
2. Hauptsatz der Thermodynamik -, und daher funktionsfähig ist.
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Gemäß einem von sog. Fachleuten geäußertem "ordentlichen Gedankenexperi
ment", würde die Turbine jedoch wegen der Irreversibelitäten letzten Endes in ihrer
Abwärme "erstlcken" und folglich stehen bleiben. Dies ist aber eine unbegründete
Annahme und zeugt von einem gedankenlosen Nachsprechen und unbegründetem Festhalten
an den in der heutigen Fachliteratur zu genüge dargebotenen sogenannten "Aussprüche"
bei der Formulierung des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik, wie beispielsweise: "Es
ist unmöglich, eine periodisch arbeitende Maschine zu konstruieren, die nichts anderes
bewirkt als Hebung einer Last und Aufnahme von Wärme aus einem Wärmebehälter".
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Diese, von Max Planck (1858-1947) - in Anlehnung an Thomson - gewählte
formulierung des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik, hat selbstverständlich auch heute
noch seine Gültigkeit für alle Wärmekraftprozesse, die nach den damaligen und heute
noch angewendeten Arbeitsprinzip betrieben sind, ,1. h. mit Abgabe der Kondensationswärme
(allgemein: "Abwärme") an die llmgæbung (= unterer .Virmebehkälter). ür den nun
neu vorgeschlagenen "Dampfkraft-Kreisprozeß mit RückfUhrung er Abwärme", trifft
die oben ausgesprochene Formulierung des 2. Hauptsatzes jedoch nicht zu. Die Gründe
hierfür sind aus der Studie leicht und unmissverständlich zu entnehmen. Für so manchen
Fachmann heutiger or:igung wird es daher notwendig sein, die Betriebsweise des derzeit
noch ueblichen "(lausius-Rankine-prozesse6" von der nun neuen Betriebsweise genau
unterscheiden zu lernen. Dies erfordert jedoch eine gründliche Durcharbeitung vorliegender
Schrift.