DE3515560A1 - Heat engine for using environmental heat, in particular atmospheric heat - Google Patents

Heat engine for using environmental heat, in particular atmospheric heat

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DE3515560A1 DE19853515560 DE3515560A DE3515560A1 DE 3515560 A1 DE3515560 A1 DE 3515560A1 DE 19853515560 DE19853515560 DE 19853515560 DE 3515560 A DE3515560 A DE 3515560A DE 3515560 A1 DE3515560 A1 DE 3515560A1
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Abstract

The invention relates to a heat engine for using inherently balanced environmental heat such as, e.g., normal atmospheric heat or heat from water. It is particularly suitable for relatively large stationary power plants (power stations). Such heat engines can be operated in a closed or open cycle. In the case of an open cycle (Fig. 1), atmospheric air is sucked in directly via a compressor, and the hot compressed air is fed to a binary alloy nozzle via which the air (likewise atmospheric) is sucked in. The mixed product obtained, which has the new pressure and the new temperature, is expanded by a turbine and fed back - expanded and cooled - into the atmosphere. As a thermodynamic calculation shows, the mechanical work obtained from the mixed product in the turbine is greater than the work required to provide the compressed air at the compressor. The difference between the two works (W3,4-W212, Fig.2) can be dissipated to the outside in a useful way; it is the mechanical thermal equivalent of the atmospheric heat (s4-s1, Fig.3) lost at the turbine output. In the closed cycle, the working material is a gas or vapour of high specific heat in conjunction with a relatively high basic pressure. The take-up of heat from the environment, e.g. from the atmosphere, the water or the earth, is absorbed by a heat exchanger, and released to the colder gas expanded by the turbine. The ... Original abstract incomplete. <IMAGE>

Description

Wärmekraftmaschine zur Nutzung von Umgebungswärme, Heat engine for the use of ambient heat,

insbesondere von Luftwärme Die erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine zur Nutzung von in sich ausgeglichener Umgebungswärme, wie z. B. Wasser-, Luft- oder Erdbodenwärme. Sie arbeitet ohne das Vorhandensein eines natürlichen Wärmegefälles und eignet sich insbesondere für größere stationäre Kraftanlagen, z. B. zum Antrieb elektr. Generatoren in Kraftwerken. in particular from air heat The invention relates to a heat engine to use balanced ambient heat, such as B. water, air or ground heat. It works without the presence of a natural thermal gradient and is particularly suitable for larger stationary power plants, e.g. B. to drive electr. Generators in power plants.

Bei derartigen Wärmekraftmaschinen ist es erforderlich, daß die zuzuführende Wärme mit dem Arbeitsstoff selbst - dem eigentlichen Energieträger - zugeführt wird, mit dem bereits im Arbeitsprozeß befindlichen und komprimierten Arbeitsstoff vermischt und das dabei erhaltene Mischprodukt (mit der neuen Temperatur und dem neuen Druck) zur Arbeitsleistung über eine Turbine entspannt wird. Die Differenz aus zugeführter Kompressorarbeit und abgegebener Turbinenarbeit kann als effektive Arbeit nach außen nutzbringend abgegeben werden.In such heat engines, it is necessary that the to be supplied Heat is supplied with the working substance itself - the actual energy carrier, mixed with the compressed working material already in the work process and the resulting mixed product (with the new temperature and pressure) for work performance is relaxed via a turbine. The difference from supplied Compressor work and output turbine work can be considered effective work to the outside profitably be given.

Derartige Wärmekraftmaschinen können im geschlossenen oder offenen Kreis prozeß betrieben werden. Bei offener Betriebsweise wird atmosphärische Luft (= Zuluft) über einen Kompressor (Verdichter) unmittelbar aus der Umgebung angesaugt, die erhaltene heiße Pressluft einer Zweistoffdüse zugeführt, über die ebenfalls atmosphärische Luft (= Beiluft) angesaugt wird. Das in der ZweistoffdUse erhaltene Mischprodukt wird anschließend einer Turbine zugeführt, entspannt und abgekühlt als "Abluft" der Atmosphäre wieder zugeführt. Bei geschlossener Betriebsweise kann der Kreisprozeß mit einem geeigneten Gas als Arbeitsstoff, z. B. Helium oder auch Luft, durchgeführt werden, wobei die Wärmeaufnahme Isobar über einen Wärmetauscher erfolgt. Dadurch, daß bei der Entspannung des Arbeitsstoffs in der Turbinevunter die der Umgebung temperatur fällt, ist eine Wärmeaufnahme über den Wärmetauscher möglich.Such heat engines can be operated in a closed or open cycle process. In open operation, atmospheric air (= supply air) is sucked in directly from the environment via a compressor, the hot compressed air obtained is fed to a two-substance nozzle, through which atmospheric air (= auxiliary air) is also sucked in. The mixed product obtained in the two-fluid nozzle is then fed to a turbine, relaxed and cooled and fed back into the atmosphere as "exhaust air". In the closed mode of operation, the cycle with a suitable gas as the working medium, z. B. helium or air, can be carried out, the heat absorption isobar takes place via a heat exchanger. The fact that the Relaxation of the working substance in the turbine, if the ambient temperature falls below the temperature, heat can be absorbed via the heat exchanger.

Beim offenen Kreisprozeß ist die Wärmeaufnahme bei Umgebungstemperatur dadurch gegeben, daß die wärmere Zuluft von der kälteren Abluft örtlich voneinander getrennt in die Wärmekraftmaschine ein- und austreten.In the open cycle process, the heat absorption is at ambient temperature given by the fact that the warmer supply air from the colder exhaust air locally from each other enter and exit the heat engine separately.

Der innerhalb der Zweistoffdüse eintretende Mischprozeß von Zu- und Beiluft bewirkt zwar eine Temperatur- und Druckabsenkung (Entropiezunahme) an der über den Kompressor bereitgestellten heißen Druckluft, doch das verbliebene Mischprodukt mit der neuen Temperatur und dem neuen Druck reicht aus, um bei polytroper (besser isothermer) vntspannung über die nachgeschaltete Turbine mehr Arbeit zu gewinnen, als zum Antrieb des Kompressors erforderlich ist. Die daraus resultierende Differenzarbeit kann nach außen - auf Kosten der Luftwärme des Mischprodukts - nutzbringend verwertet werden. Wie die Rechnung zeigt, ergibt sich eine umso größere Differenzarbeit, je höher man komprimiert und je mehr man von der adiabatischen auf die isotherme Verdichtung und Entspannung übergeht.The mixing process of inlet and outlet occurring within the two-substance nozzle Incidental air causes a decrease in temperature and pressure (increase in entropy) at the Hot compressed air provided by the compressor, but the remaining mixed product with the new temperature and the new pressure is sufficient to use polytropic (better isothermal) expansion via the downstream turbine to gain more work, than is necessary to drive the compressor. The resulting difference work can be used beneficially to the outside - at the expense of the air heat of the mixed product will. As the calculation shows, the greater the difference work, the the higher you compress and the more you move from adiabatic to isothermal compression and relaxation passes over.

Die mit der Erfindung erzielbaren wesentlichsten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß eine praktisch unerschöpfliche und absolut umweltfreundliche regenerative Energiequelle zur Verfügung gestellt wird, die zu jeder Zeit und an jedem Ort betriebsfähig ist. Die Wärmekraftmaschine kann zum Antrieb von elektr. Generatoren in Kraftwerken benutzt werden und die bisherigen Energieträger (fossile und nukleare Kraftstoffe) nach und nach substituieren.The most important advantages that can be achieved with the invention exist especially in the fact that a practically inexhaustible and absolutely environmentally friendly Renewable energy source is made available at any time and at operable at any location. The heat engine can be used to drive electr. Generators are used in power plants and the previous energy sources (fossil and nuclear fuels) gradually substitute.

Derartige Kraftmaschinen zur Nutzung von in sich ausgeglichener Luftwärme sind bisher nicht bekannt geworden. Bemühungen, Energie aus Luft-oder Wasserwärme (Umgebungswärme) zu gewinnen, gab es zwar schon seit Anbeginn der Menschheit. Es haben sich die gerissensten Köpfe damit beschäftigt. Die Zahl ihrer Vorschläge geht in die Millionen, doch sie haben die Naturgesetze nicht beachtet, insbesondere die Tatsache, daß man nur auf Kosten einer Energie form eine andere dafür erhalten kann (Energieerhaltungssatz, 1. HS), oder daß Wärme nur von einem wärmeren Körper auf einen kälteren Körper übergehen kann und nicht umgekehrt (Entropiesatz oder 2. HS der Wärmelehre).Such power machines for the use of balanced air heat have not yet become known. Efforts to heat energy from air or water Obtaining (ambient heat) has existed since the dawn of mankind. It the shrewdest minds have dealt with it. The number of their suggestions goes into the millions, but they ignored the laws of nature, especially the The fact that one can only get another form of energy at the expense of one form of energy (Conservation of energy law, 1st HS), or that heat only comes from a warmer body a colder body can pass over and not the other way around (entropy law or 2nd HS of thermodynamics).

Vier Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Abb. 1 das Prinzip-Schaltbild mit Kompressor, Zweistoffdüse und Turbine bei offenem Kreisprozeß (Uber die Atmosphäre offen) Abb. 2 das zu Abb. 1 gehörende Druck-Volumen-Diagramm (P,v-Diagr.) mit maßstäblicher Aufzeichnung für 1 kg Ansaugluft und 1 kg Beiluft Abb. 5 das zu Abb. 1 gehörende Temperatur-Entropie-Diagramm (T,s-Diagr.) Abb. 4 ein AusfUhrungsbeispiel gemäß dem Prinzip-Schaltbild Abb. 1 Abb. 5 ein Ausführungsbeispiel wie Abb. 4, jedoch mit einer anstelle der Turbine verwendeten Laval-Düse und nachgeschalteter Wind-Turbine oder Pelton-Rad Abb.5.1 eine Teilzeichnung zu Abb. 5 Atb. 6 ein Ausführungsbeispiel mit 2-stufiger Verdichtung und offenem Kreisprozeß Abb. 7 ein AusfUhrungsbeispiel mit einstufiger Verdichtung und geschlossenem Kreisprozeß Das Arbeitsprinzip, gemäß Abb. 1, ist einfach. Es wird atmosphärische Luft über den Kompressor angesaugt, Polytrop verdichtet, einer Zweistoffdüse zugeführt, in der ebenfalls atmosphärische Luft (= Beiluft) angesaugt und mit der komprimierten Heißluft vermischt wird. Das Mischprodukt wird bei entsprechend erniedrigter Temperatur (der Mischtemperatur tm) und erniedrigtem Druck (dem Mischdruck pm) unmittelbar der Turbine zugeführt und Polytrop expandiert. Die dabei gewonnene Arbeit wird, gemäß Abb. 4 und 5, einerseits dem Kompressor unmittelbar über eine Antriebswelle zugeführt, während die restliche Arbeit (= Differenzarbeit) nach außen nutzbringend abgegeben wird. Um diesen Betriebszustand zu erreichen, muß der Kompressor zuvor "angesorfen" werden.Four embodiments of the invention are shown in the drawings and are described in more detail below. Fig. 1 shows the principle circuit diagram with compressor, two-fluid nozzle and turbine in an open cycle process (via the atmosphere open) Fig. 2 the pressure-volume diagram (P, v-Diagr.) belonging to Fig. 1 with true-to-scale Recording for 1 kg of intake air and 1 kg of auxiliary air Fig. 5 that too Fig. 1 associated temperature-entropy diagram (T, s-Diagr.) Fig. 4 an exemplary embodiment according to the principle circuit diagram Fig. 1 Fig. 5 an embodiment as Fig. 4, however with a Laval nozzle used instead of the turbine and a downstream wind turbine or Pelton wheel Fig.5.1 A partial drawing for Fig. 5 Atb. 6 shows an embodiment with 2-stage compression and open cycle Fig. 7 an exemplary embodiment with single-stage compression and closed cycle process The working principle, according to Fig. 1, is simple. Atmospheric air is sucked in via the compressor, Polytropically compressed, fed to a two-fluid nozzle in which also atmospheric Air (= additional air) is sucked in and mixed with the compressed hot air. That The mixed product is produced at a correspondingly lower temperature (the mixed temperature tm) and reduced pressure (the mixed pressure pm) are fed directly to the turbine and Polytrop expands. The work gained is, according to Fig. 4 and 5, on the one hand fed directly to the compressor via a drive shaft, while the remaining Work (= differential work) is profitably passed on to the outside world. To this operating condition To achieve this, the compressor must first be "started".

Bei der Ausführungsweise gemäß Abb. 4 erfolgt die Entspannung des Mischprodukts bezw. des Misch-Arbeitsstoffs Uber eine normale Gasturbine.In the embodiment according to Fig. 4, the relaxation of the Mixed product respectively. of the mixed working material via a normal gas turbine.

Bei der Ausführungsweise gemäß Abb. 5 erfolgt die Entspannung liber eine Laval-Düse, in der der Luftstrahl zunächst in hohe Geschwindigkeit (in hohe kinetische Energie) bei gleichzeitiger Temperaturabsenkung umgesetzt wird. Anschließend wird die kinetische Energie des Luftstrahls über eine Wind-Turbine (oder Peltonrad-Turbine) in Dreh-Energie umgeformt, wie in Abb.5.1 angegeben ist. Welche der beiden Betriebsarten vorteilhafter ist, hängt von der Größe des Betriebsdrucks und dem Verwendungszweck ab. Sehr hohe Betriebsdrucke können im allgemeinen mit einer Laval-Düse wirtschaftlicher (verlustarmer) abgebaut werden als unmittelbar über eine Gasturbine oder Kolbenmaschine. Soll die Wärmekraftmaschine nur für Schubzwecke - wie ein Raketenmotor - genutzt werden, dann braucht die nachgeschaltete Wind-Turbine nur für den Antrieb des Kompressors bemessen werden. Die Differenzarbeit ist dann in diesem Betriebsfalle Schubarbeit (Anwendung z. B. zum Antrieb von Fahrzeugen).In the embodiment according to Fig. 5, the relaxation takes place via a Laval nozzle, in which the air jet is initially at high speed (in high kinetic energy) is implemented with simultaneous temperature reduction. Afterward the kinetic energy of the air jet is generated via a wind turbine (or Pelton wheel turbine) transformed into rotational energy, as indicated in Fig.5.1. Which of the two modes of operation is more advantageous, depends on the size of the operating pressure and the intended use away. Very high operating pressures can generally be more economical with a Laval nozzle (with less loss) than directly via a gas turbine or piston engine. Should the heat engine only be used for thrust purposes - like a rocket motor will, then the downstream wind turbine only needs to drive the compressor be measured. The differential work is then push work in this operational case (Use e.g. to drive vehicles).

Beide Betriebsarten gemaß Abb. 4 und 5 arbeiten ohne Värmetauscher. Damit kann die aufgenommene Zu- und Beiluft ohne irgendwelchen Temperaturverlust genutzt werden. Die abgekühlte verbrauchte Abluft wird wieder unmittelbar der Atmosphäre zugeführt; sie kann auch für Kühlzwecke, z. B. in Kühlhäusern, weiter genutzt werden.Both operating modes as shown in Fig. 4 and 5 work without a heat exchanger. This means that the intake and bypass air can be taken in without any loss of temperature be used. The cooled, used exhaust air is immediately released back into the atmosphere fed; it can also be used for cooling purposes, e.g. B. in cold stores, continue to be used.

Die Betriebsweise nach Abb. 7 arbeitet mit Wärmetauscher. Sie hat gegenüber den Ausführungen gemäß Abb. 4 und 5 den Vorteil, daß ihr Grunddruck (ntspanndruck) höher als der der Atmosphäre vorgesehen werden kann, so daß bei gleichen Luftdurchsätzen - und damit bei gleichen Leistungen - der Kompressor und die Turbine mit entsprechend kleineren Abmessungen hergestellt werden kann. Sie hat jedoch den Nachteil, daß ein relativ großer Wärmetauscher verwendet werden muß. Mit ihm läßt sich neben der Luftwärme jedoch auch Wasserwärme, Erdbodenwärme oder Sonnenwärme (Strahlungsenergie) verwenden. Insbesondere aber kann Wasserwärme (Meer-, See- oder Flußwasser) bei relativ hoher und nahezu konstanter oberer Temperatur damit genutzt werden (auch in kalten Jahreszeiten bei ca. 40C » konstant).The operating mode according to Fig. 7 works with a heat exchanger. she has compared to the designs according to Figs. 4 and 5, the advantage that their basic pressure (clamping pressure) higher than that of the atmosphere can be provided, so that with the same air flow rates - and thus with the same performance - the compressor and the turbine with accordingly smaller dimensions can be made. However, it has the disadvantage that a relatively large heat exchanger must be used. With him you can next to the Air heat but also water heat, ground heat or solar heat (radiant energy) use. In particular, however, water heat (sea, lake or river water) can contribute relatively high and almost constant upper temperature can thus be used (also in cold seasons at approx. 40C »constant).

Um den effektiven Arbeitsgewinn pro kg Arbeitsstoff-Duchsatz zu verbessern, muß bei allen Ausführungen mit möglichst hohem Mischdruck gearbeitet werden. Dieser läßt sich bei relativ großer Arbeitsersparnis bei Verwendung mehrerer Verdichterstufen bei jeweiliger Zwischenkühlung bereitstellen. Diese Arbeitsersparnis erhöht zusätzlich die effektive Nutzarbeit (Differenzarbeit), da entsprechend weniger Arbeit für die Kompressoren rückgeführt werden muß. Mit Abb. 6 ist im Prinzip eine derartige Ausführung mit 2 Verdichtern gezeigt. Die Zwischenkühlung, die bei diesem Arbeitsprinzip einer Abwärmeabgabe nach außen gleichkommt, erfolgt durch die Beiluft selbst, d. h. der Energieinhalt (innere Energie) bleibt dem System voll erhalten (Abwärmeabgabe an das eigene System !). Somit wird von der Wärmekraftmaschine (bei geschlossenem Kreisprozeß) nur mechanische Arbeit (keine Abwärme) nach außen abgegeben.In order to improve the effective labor gain per kg of working material throughput, must be used with all versions with the highest possible mixing pressure. This can be achieved with a relatively large saving in labor when using several compressor stages provide with respective intermediate cooling. This saving in labor also increases the effective useful work (differential work), since correspondingly less work for the Compressors must be recirculated. With Fig. 6 is in principle such a design shown with 2 compressors. The intercooling, which is a Is equivalent to the dissipation of waste heat to the outside, takes place through the air itself, i. H. the Energy content (internal energy) is fully retained in the system (waste heat release on your own system!). Thus, the heat engine (with a closed cycle) only mechanical work (no waste heat) released to the outside.

Eine weitere Verbesserung hinsichtlich der Energiedichte wäre dadurch möglich, indem man der Beiluft (bei offener Betriebsweise) ein Aerosol von hoher spez. Wärme beimischt, z. B. ein H20-Aerosol. In diesem walze läßt sich der Arbeitsstoff zunächst Isotherm und anschließend Adiabat entspannen und damit die Nutzwärmefläche (im T,s-Diagr.) vergrößern.This would be a further improvement in terms of energy density possible by adding an aerosol of high to the auxiliary air (with open operation) spec. Mixed in with heat, e.g. B. an H20 aerosol. The working material can be stored in this roller first isothermal and then adiabatic relaxation and thus the useful heat surface (in the T, s diagram) enlarge.

Alle vier Ausführungen arbeiten bei jedem Umgebungstemperaturniveau etwa gleichwertig, da die Größe der Temperaturabsenkung am Turbinenausgang unabhängig ist vom Niveau der Eingangstemperatur. Denn die Größe dieser Temperaturdifferenz wird allein durch die Entspannung eines in immer gleicher Größe vorgegebenen Drucks (Mischdrucks) erzeugt.All four versions work at any ambient temperature level roughly equivalent, since the size of the temperature drop at the turbine outlet is independent is from the level of the inlet temperature. Because the size of this temperature difference is achieved solely through the relaxation of a pressure that is always of the same magnitude (Mixed pressure) generated.

Diese Eigenschaft eröffnet die Möglichkeit, zu immer tieferen Expansions-Endtemperaturen vorzudringen durch laufende Abführung mechanischer Arbeit aus einem begrenzten Wärmereservoir (Anwendung als "autarke Kältemaschine", denn sie beliefert ihre Antriebsarbeit selbst und gibt außerdem überschüssige Arbeit (Differenzarbeit) nach außen ab). Diese Eigenschaft macht auch ihre Betriebsweise, insbesondere mit geschlossenem Kreisprozeß (Abb. 7), also bei Verwendung eines Wärmetauschers, attraktiver, da ein hohes Wärmegefälle - zur Aufnahme von Umgebungswärme - erzeugt wird und somit der Wärmetauscher mit entsprechend kleineren Wärme flächen ausgeführt werden kann.This property opens up the possibility of ever lower expansion end temperatures to advance by continuously removing mechanical work from a limited heat reservoir (Application as "self-sufficient refrigeration machine", because it supplies its drive work itself and also gives off excess work (differential work) to the outside world). This attribute also makes their mode of operation, especially with a closed cycle process (Fig. 7), i.e. when using a heat exchanger, is more attractive because of the high heat gradient - to absorb ambient heat - is generated and thus the heat exchanger with correspondingly smaller heat surfaces can be carried out.

Um die Funktionsfähigkeit vorliegender Erfindung nachzuweisen, wurde der offen betriebene Kreisprozeß für die einstufige Ausführung thermodynamisch durchgerechnet. Die zugrundeliegenden und ermittelten Zustandswerte sind in Abb. 1-3 eingetragen. Es wurde für die polytrope Verdichtung und Entspannung der Luft der Polytropenfaktor n = 1,3 gewählt. Es wurde eine zu komprimierende Luftmenge von 1 kg und eine Beiluftmenge von 1 kg bei je OOC und 1 Bar (bezw. 1,013 bar = 760 Torr) zugrundegelegt.In order to demonstrate the functionality of the present invention, was the open cycle process for the single-stage version calculated thermodynamically. The underlying and determined condition values are entered in Fig. 1-3. The polytropic factor was used for the polytropic compression and relaxation of the air n = 1.3 chosen. There was an amount of air to be compressed of 1 kg and an amount of auxiliary air of 1 kg at each OOC and 1 bar (or 1.013 bar = 760 Torr).

Beispiel Die theoretische Verdichtungsarbeit für 1 kg Gas ergibt sich zu Nm J Die spezielle Gaskonstante Ri für ist 287 oder 287 kg K kg K Damit ergibt sich mit den zugrundeliegenden Zustandswerten T1 = 00C = 273 K, P1 = 1 bar, P2 = 10 bar, n = 1,3 die aufzuwendende Verdichtungsarbeit zu: und bei isothermer Verdichtung zu p2 10 = Ri . T1 . ln = 287 Nm/kgK . 273 . ln 1 = 180,4 kj/kg.Example The theoretical compression work for 1 kg of gas results in Nm J The special gas constant Ri for is 287 or 287 kg K kg K With the underlying state values T1 = 00C = 273 K, P1 = 1 bar, P2 = 10 bar, n = 1.3, the compression work to be applied is: and with isothermal compression to p2 10 = Ri. T1. ln = 287 Nm / kgK. 273. ln 1 = 180.4 kj / kg.

Die Kompressionstemperatur T2 ergibt sich mit zu Die Mischtemperatur tm,3 ergibt sich allgemein zu Da gleiche Massen (m1 = m2) und gleiche spez. Wärmen (c1 = c2) für die Zu- und Beiluft vorliegen, ergibt sich die Mischtemperatur zu t1 + t2 0 + 191 tm,3 = = = 95,5 # 95°C.The compression temperature T2 results from to The mixing temperature tm, 3 results in general from Since the same masses (m1 = m2) and the same spec. If there is warming (c1 = c2) for the supply and bypass air, the mixed temperature is t1 + t2 0 + 191 tm, 3 = = = 95.5 # 95 ° C.

2 2 Der Mischdruck ergibt sich, da gleiche Mischmengen vorliegen, zu p1 + P2 1 + 10 Pm,3 =2=2= 5,5 bar. 2 2 The mixing pressure results from the fact that there are equal mixed quantities, to p1 + P2 1 + 10 Pm, 3 = 2 = 2 = 5.5 bar.

Mit den Mischwerten tm,3 = 95°C, pm,3 = 5,5 bar, m3 = 2 kg Luft und p4 = 1,1 bar Ausgangsdruck erhält man an der Gasturbine eine Rückgewinn-Arbeit von = 2. -142 = -284 kJ/2kg (gesamte Rückgewinnarbeit aus 2 kg Luft) Bei isothermer Entspannug erhielte man dagegen eine Rückgewinnarbeit von p4 1,1 m3,4,is,2kg = 2 . Ri . T3 . ln = 2 . 287 Nm/kgK . 273 . in p3 5,5 = 2 126,1 = 252,2 kJ/2kg Die nach außen abführbare Arbeit Wab ergibt sich aus der Differenz der beiden Arbeitsprozesse a) bei polytroper Betriebsweise Wab,poly = m3,4,poly,2kg - m1,2,poly,1kg = 284 - 238 = 46 kj/2kg = effektive Nutzarbeit b) bei isothermer Betriebsweise Wab,is m3,4,is,2kg m1,2,is,1kg 252,2 - 180,4 = 72 kJ/2kg = effektive Nutzarbeit Da die isotherme Betriebsweise (Verdichtung und Entspannung) in der Praxis nur schwierig zu erreichen ist, muß die polytrope Betriebsweise mit dem weniger günstigen Nutzeffekt in Kauf genommen werden. Vom theoretischen Arbeitsgewinn müssen noch für Maschinenverluste (Strömungs- und mech. Reibungsverluste) etwa 10 % abgezogen werden, so daß sich die Real abführbare Nutzarbeit ergibt zu etwa 40 kj/2kg.With the mixed values tm, 3 = 95 ° C, pm, 3 = 5.5 bar, m3 = 2 kg air and p4 = 1.1 bar output pressure, a recovery work of = 2. -142 = -284 kJ / 2kg (total recovery work from 2 kg of air) With isothermal expansion, on the other hand, one would get a recovery work of p4 1.1 m3.4, is, 2kg = 2. Ri. T3. ln = 2. 287 Nm / kgK. 273. in p3 5.5 = 2 126.1 = 252.2 kJ / 2kg The work Wab that can be transferred to the outside results from the difference between the two work processes a) with polytropic operating mode Wab, poly = m3.4, poly, 2kg - m1, 2, poly, 1kg = 284 - 238 = 46 kj / 2kg = effective useful work b) with isothermal operation Wab, is m3.4, is, 2kg m1.2, is, 1kg 252.2 - 180.4 = 72 kJ / 2kg = effective useful work Since the isothermal mode of operation (compression and expansion) is difficult to achieve in practice, the polytropic mode of operation with its less favorable efficiency has to be accepted. From the theoretical gain in work, about 10% must be deducted for machine losses (flow and mechanical friction losses), so that the real usable work that can be removed results in about 40 kJ / 2kg.

Die Expansions-Endtemperatur T4 ergibt sich bei polytroper Betriebsweise mit Die Nutzwerte an der Turbine ergeben sich somit zu a) Wärmegefälle : aT = 95,5 + 18,8 = 114,3 0C b) Druckgefälle : #p p = 5,5 - 1,1 = 4,4 bar Um das P,v-Diagramm maßstäblich aufzeichnen zu können, müssen noch die einzelnen Eckpunktemit den Volumen bekannt sein. Das Anfangsvolumen V1 für 1kg Luft bei 0°C, 1 bar, ergibt sich zu 1 1 m³ V1 = = = 0,7734 0 3 kg 1,293 kg/m3 V3 ergibt sich bei Entspannung über die Zweistoffdüse zu T2 273 + 191 m³ = V2 = 0,1316 = 0,1657 T3 273 + 95,5 kg und das Mischvolumen mit 1 kg Beiluft (bei gleicher Temperatur und bei gleichem Druck) zu m³ = 2 . v3,1kg = 2 . 0,1657 = 0,3314 ### Diese Volumenwerte, aus den Druckverhältnissen berechnet, sind im P,v-Diagramm, Abb. 2, eingetragen.The final expansion temperature T4 results from polytropic mode of operation The utility values at the turbine result from a) heat gradient: aT = 95.5 + 18.8 = 114.3 0C b) pressure gradient: #pp = 5.5 - 1.1 = 4.4 bar around the P, To be able to record the v-diagram to scale, the individual corner points with the volume must be known. The initial volume V1 for 1kg air at 0 ° C, 1 bar, results in 1 1 m³ V1 = = = 0.7734 0 3 kg 1.293 kg / m3 V3 results in the expansion via the two-substance nozzle to T2 273 + 191 m³ = V2 = 0.1316 = 0.1657 T3 273 + 95.5 kg and the mixed volume with 1 kg of auxiliary air (at the same temperature and at the same pressure) as m³ = 2. v3.1kg = 2. 0.1657 = 0.3314 ### These volume values, calculated from the pressure ratios, are entered in the P, v diagram, Fig. 2.

Das Volumen kann auch (zur Kontrolle) allein aus der Temperatur ermittelt werden Mit m³ v1 = 0,7734 kg (wie oben ermittelt) wird v3 ergibt sich bei Entspannung in der Zweistoffdüse zu T2 273 + 191 m³ v3,1kg = v2 T3 =0,1320#273 + 95,5 = 0,1662kg, T3 273 + 95,5 kg und das Mischvolumen mit 1 kg Beiluft zu v3,2kg = 2 . v3,1kg = 0,3324 m³.The volume can also (for control purposes) be determined from the temperature alone m³ v1 = 0.7734 kg (as determined above) v3 results from relaxation in the two-substance nozzle to T2 273 + 191 m³ v3.1kg = v2 T3 = 0.1320 # 273 + 95.5 = 0.1662kg, T3 273 + 95.5 kg and the mixing volume with 1 kg of additional air v3.2kg = 2. v3.1kg = 0.3324 m³.

2kg Diese Volumenwerte, ermittelt aus der Temperatur, stimmen bis auf geringfügige Rechenrundungen mit denen aus dem Druckverhältnis berechneten Volumenwerten überein.2kg These volume values, determined from the temperature, agree with the volume values calculated from the pressure ratio, apart from slight calculation rounds.

Damit ist mathematisch nachgewiesen, daß es nun doch möglich ist, eine periodisch arbeitende Maschine zu konstruieren die weiter nichts bewirkt als Abgabe mechanischer Arbeit und entsprechende Abkühlung eines Wärmereservoirs 1) Die bisher vertretene gegenteilige Meinung entbehrt somit jeder physikalischen Grundlage; es spricht lediglich die bisherige Erfahrung dafür, weil es bisher noch niemandem gelungen ist die Funktionsfähigkeit einer solchen Maschine nachzuweisen, weder praktisch noch theoretisch.This proves mathematically that it is now possible after all to construct a periodically working machine that does nothing more than Release of mechanical work and corresponding cooling of a heat reservoir 1) The contrary opinion held so far lacks any physical basis; only previous experience speaks in favor of it, because it has not yet been given to anyone the functionality of such a machine has been successfully demonstrated, neither in practice still theoretically.

1) Gemeint ist ein Wärmereservoir gleichmäßiger Temperatur, das sich im inneren Gleichgewicht befindet, z. B. normale Wasser- oder Luftwärme.1) What is meant is a heat reservoir of uniform temperature, which is in internal equilibrium, e.g. B. normal water or air heat.

- L e e r s e i t e -- L e r s e i t e -

Claims (4)

Patentansprüche Wärmekraftmaschine zur Nutzung von Umgebungswarme, insbesondere von Luftwärme, dadurch gekennzeichnet, daß die der Wärmekraftmaschine zuzuführende Wärme mit dem-die Wärmeenergie enthaltenden Arbeitsstoff selbst zugeführt wird, mit einer Zweistoffdüse oder ähnl. Einrichtung mit dem bereits im Arbeitsprozeß befindlichen und komprimierten Arbeitsstoff unmittelbar vermischt und mit der neuen Temperatur und dem neuen Druck (Mischtemperatur und Mischdruck) unmittelbar über eine Gasturbine oder eine Laval-Düsetmit oder ohne anschließender Wind-Turbine, entspannt wird.Patent claims heat engine for the use of ambient heat, in particular from air heat, characterized in that that of the heat engine The heat to be supplied is supplied with the working substance containing the thermal energy itself is, with a two-fluid nozzle or similar. Establish with that already in the work process existing and compressed working material is immediately mixed with the new one Temperature and the new pressure (mixed temperature and mixed pressure) immediately above a gas turbine or a Laval nozzle with or without a connected wind turbine, is relaxed. 2. Wärmekraftmaschine zur Nutzung von Umgebungswärme nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreisprozeß offen oder geschlossen betrieben ist, bei offener Betriebsweise die atmosphärische Luft unmittelbar aus der Umgebung angesaugt, bei geschlossener Betriebsweise die Wärme über einen Wärmetauscher bei konstantem Druck (isobare Wärmeaufnahme) von außen aufgenommen wird und bei offener oder geschlossener Betriebsweise bei je ein- oder mehrstufiger Ausführung die Zwischenkühlung (= Abwärmeabgabe) durch den über die Zweistoffdüse aufgenommenen Arbeitsstoff selbst vorgenommen ist. 2. Heat engine for using ambient heat according to claim 1, characterized in that the cycle is operated open or closed is, with open operation, the atmospheric air directly from the environment sucked in, the heat via a heat exchanger when the operating mode is closed constant pressure (isobaric heat absorption) is absorbed from the outside and when open or closed mode of operation for each single or multi-stage version, intercooling (= Waste heat emission) through the working substance itself absorbed via the two-substance nozzle is made. 3. Wärmekraftmaschine zur Nutzung von Umgebungswärme nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß (zwecks Erhöhung der Energiedichte) bei offener Betriebsweise der Uber die Zweistoffdüse angesaugten atmosphärischen Luft ein H20-Aerosol beigemischt ist und bei geschlossener Betriebsweise ein Arbeitsmedium (Gas) mit einer möglichst hohen spezifischen Wärme bei relativ hohem Grund-Druck verwendet ist. 3. Heat engine for using ambient heat according to claim 1 and 2, characterized in that (for the purpose of increasing the energy density) when open Mode of operation of the atmospheric air sucked in via the two-substance nozzle an H20 aerosol is mixed in and a working medium (gas) with closed operation the highest possible specific heat at a relatively high base pressure is. 4. Wärmekraftmaschine zur Nutzung von Umgebungswärme nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei geschlossener Betriebsweise (Abb. 7) und Bezug der Umgebungswärme aus einem begrenzten Wärmereservoir die Wärmekraftmaschine gleichzeitig als "autarke Kältemaschine" und als 8Kraftmaschine" betrieben ist. 4. Heat engine for the use of ambient heat according to one of the Claims 1 to 3, characterized in that when the operating mode is closed (Fig. 7) and the heat engine draws the ambient heat from a limited heat reservoir is operated at the same time as an "autarkic refrigeration machine" and as an 8Kraftmaschine ".
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP0456446A1 (en) * 1990-05-08 1991-11-13 Toyoshi Sakata Heat engine utilizing a cycle having an isenthalpic pressure-increasing process
US5209065A (en) * 1990-05-08 1993-05-11 Toyoshi Sakata Heat engine utilizing a cycle having an isenthalpic pressure-increasing process
EP1736649A1 (en) * 2003-08-01 2006-12-27 Mihailovich Kondrashov Boris Method for converting low-grade energy and a fuelless jet engine for carrying out said method

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