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Wärmekraftmaschine zur Nutzung von Umweltwärme,
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insbesondere von atmosphärischer Luftwärme Die Erfindung betrifft
eine Warmekraftmaschine zur Gewinnung mechanischer Arbeit aus Umweltwärme (Luft-,
Wass-er-, Erdboden- oder Strahlungswärme), insbesondere für stationare Kraftanlagen
(Kraftwerke).
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Bei derartigen Wärmekraftmaschinen ist es erforderlich, daß keine
Abwärme nach außerhalb der Wärmekraftmaschine abgeführt wird, sondern nur das mechanische
Wärmeäquivalent, das aus der Arbeitsquelle entnommen wird.
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Damit wird es möglich, Wärmereservoirs von beliebigem Temperaturniveau
zu nutzen, d. h. in technische Arbeit überzuführen.
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Es können somit Wärmereservoirs, die auf dem Temperaturniveau der
Umgebung stehen, ebenso in mechanische Arbeit umgesetzt werden, wie solche, die
oberhalb oder auch unterhalb diesem liegen.
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Die Bedingungen des Energiegesetzes (1. Hauptsatz) und der Wärmelehre
oder der Thermodynamik (2. Hauptsatz oder Entropiesatz) werden dabei erfüllt. Die
Erfindung ist also weder ein perpetuum mobile der 1. Art noch der 2. Art. Sie hat
jedoch die praktischen Auswirkungen eines wirklich funktionsfahigen perpetuum mobiles,
weil damit in Zukunft Energie in unbegrenzter Menge kostenlos zur Verfügung steht.
Die vorliegende Wärmekraftmaschine ist an jedem Ort, zu jeder Zeit und bei nahezu
allen gegebenen natürlichen Temperaturbedingungen betriebsfähig.
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Sie ist eine regenerative Energiequelle von relativ hoher Energiedichte
und ist allen Nationen im gleichen Maße zugänglich. Da sie absolut unerschöpflich
ist und absolut schadstoffrei arbeitet, kann sie nach und nach die derzeitigen fossilen
und nuklearen Kraftstoffe, die zur Energieerzeugung verwendet werden, substituieren.
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Mit dem heute bekannten und angewendeten Wärmekraftmaschinen~Prinzip
ist eine Nutzung von Wärmeenergie, die auf dem Umgebungstemperaturniveau steht,
grundsätzlich nicht möglich. Sie benötigt nämlich zur Abführung der Abwärme ein
unterhalb dem Temperaturniveau der Umgebung befindliches
Wärmereservoir,
um diese aufnehmen zu können. Um die Abwärme aufzunehmen, muß also ein natürliches
Temperaturgefälle zwischen dem sogenannten "oberen Wärmebehálter" - dem eigentlichen
Energieträger bei höherer Temperatur - und dem sogenannten "unteren Wärmebehälter"
- dem abwarmeaufnehmenden srmereservoir bei nieder er er Temperatur - vorhanden
sein. Ein solches Temperatur- oder Wärmegefälle kann aber - wie Berechnungen der
Thermodynamik (unter zugrundelegung der Gasgesetze) zeigen - nicht ohne mindestens
gleichgroßen Arbeitsaufwand, z. B.
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mittels einer Wärmepumpe-Kältemaschine, hergestellt werden. Die mechanische
Energiebilanz ist somit ausgeglichen, d. h. eine solche Rinrichtung kann keine mechanische
Mehrarbeit über denjenigen Arbeitsbetrag hinaus liefern, den sie selbst zu ihrem
eigenen Antrieb benötigt. Im Gegenteil, um eine Energiebilanz von Null zu erreichen,
muß wegen der Wärmeverluste und mechanischen Reibungsverluste an den beteiligten
Maschinen zusätzliche mechanische Arbeit von außen aufgewendet werden.
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Diese mit den Gleichungen der Gasgesetze gewonnenen Einsichten prägten
im Laufe der letzten 150 Jahre die Erkenntnis, daß es unmöglich ist aus einem Wärmereservoir
mechanische Arbeit zu gewinnen, welches kein Temperaturgefälle gegenüber einem die
Abwärme aufnehmendem "unteren" Wärmereservoir aufweist. Diese Erkenntnis nennt man
den "2. Hauptsatz der Thermodynamik". Er kommt auch in folgender Formulierung (nach
Max Planck) zum Ausdruck: "Es ist unmöglich eine periodisch arbeitende Maschine
zu konstruieren die weiter nichts bewirkt als Abgabe mechanischer Arbeit und entsprechende
Abkühlung eines Warmereservoirs".
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(gemeint ist ein Wärmereservoir gleichmäßiger Temperatur, das sich
im inneren Gleichgewicht befindet, wie z. B. normale Wasser- oder Luftwärme) Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, Wärme, die auf, ober-oder unterhalb dem
Temperaturniveau der Umwelt steht, in mechanische Arbeit umzusetzen und dabei das
Wärmereservoir, aus dem die Wärme entnommen wird, entsprechend abzukühlen. Es soll
also ausschließlich mechanische Arbeit (also keine Wärme zusätzlich) von der Wärmekraftmaschine
nach außerhalb abgegeben werden, so daß kein "unteres" Wärmereservoir benötigt wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Wärmekraftmaschine
mit zwei Arbeitsstoff-Kreisläufen ausgerüstet ist, wobei die beiden Teilkreisläufe
noch vor dem Eintritt in die Expansionsmaschine
über eine Zweistoffdüse
(mit Misch- und Umkehrdüse) miteinander gekoppelt sind. Der eine Teilkreisprozeß
führt vom Ausgang der Expansion maschine (Gasturbine) unmittelbar über einen ein-
oder mehrstufigen Kompressor zur Zweistoffdüse; er dient ausschließlich zur Bereitstellung
des Treibgases. Der andere Teilkreisprozeß führt vom Ausgang der Gasturbine über
einen Wärmetauscher (beim geschlossenen Kreisprozeß) oder unmittelbar von der Umgebung
(beim über die Atmosphäre offenen Kreisprozeß) in die Zweistoffdüse; er dient zur
Aufnahme des (Effektiv) nutzbaren Arbeitsstoffs und wird vermittels des über den
Kompressor bereitgestellten Treibgases in die Zweistoffdüse eingeführt.
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In einer der Zweistoffdüse nachfolgenden "ischdüse" erfolgt eine Mischung
beider Gase sowie eine nahezu vollständige Umsetzung des Druckgefälles des-Treibgases
in kinetische Energie des nunmehr gemeinsamen Mischgasproduktes.
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In einer der Mischdüse nachfolgenden "Umkehrdüse" wird das Mischprodukt
des Arbeitsstoffs auf eine für die nachfolgende Gasturbine geeignete Zustandsform
gebracht.
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Das somit am Ende der Umkehrdüse erhaltene Mischprodukt (mit der neuen
Mischtemperatur und dem neuen Mischdruck) wird der Gasturbine zur Arbeitsleistung
zugeführt, in dieser bis aufktwas über den Ansaugdruck des Kompressors expandiert
und dabei auf merklich unterhalb der Arbeitsquellen-Temperatur (allein durch Arbeitsabgabe
!) abgekühlt. Von da an beginnt der über den Kompressor geschlossen betriebene eine
Teilkreisprozeß und der über die Zweistoffdüse offen (oder über den Wärmetauscher
geschlossen) betriebene andere Teilkreisprozeß von neuem.
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Dieser Betriebszustand läßt sich bei vorhergehendem Anwurf durch einen
Starter-Motor erreichen.
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Infolge Zuführung von wärmerem Arbeitsstoff über die Zweistoffdüse
und Zuführung von kälterem Arbeitstoff über den Kompressor wird zwangsläufig der
thermodynamische Arbeitsgewinn an der Gasturbine größer als der Arbeitsaufwand am
Kompressor. Die Differenzarbeit aus beiden Arbeitsprozessen, die sich nach Rückführung
der Kompessorarbeit von der Turbine ergibt, kann als effektive Nutzarbeit nach außen
abgeführt werden; sie ist das mechanische Wärmeäquivalent der vom ärmereservoir
entnommenen Wärme. Das Wärmereservoir kühlt sich entsprechend der mechanischen Arbeitsabgabe
ab und könnte so kontinuierlich auf ein sehr tiefes
Temperaturniveau
abgetragen werden, falls nicht durch Zuführung von neuer Wärme dieses Aufrecht erhalten
würde. (Daraus folgt, daß die Anlage gleichzeitig auch als "Kraftmaschine" und "Kältemaschine"
betrieben werden kann.) Hierbei spielt die Höhe der Anfangstemperatur der Wärmequelle
(Arbeitsquelle) keine Rolle. Sie kann z. B. 5000C oder auch nur -20°C betragen.
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In jedem Betriebsfalle ließe sie sich nach und nach z. B. auf -500C
abtragen, wenn das Wärmereservoir durch weitere Wärmezufuhr nicht laufend auftwobere"
Temperatur(50000 oder -20°C) gehalten würde.
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An Hand zweier Beispiele wird im folgenden nachgewiesen, daß der effektive
Wärmewirkungsgrad umso größer wird, je größer das Treibgas-Druckgefälle gewählt
wurde und je tiefer man damit mit dem in die Gasturbine eingegebenen Mischgasprodukt
in das Temperaturniveau der Wärmequelle (Umweltwärme-Reservoir oder sonstiges Wärmereservoir)
expandieren kann.
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Hierbei wird selbst bei Inkaufnahme hoher Druckverluste (Entropiezunahme
beim Mischvorgang) die Energiebilanz noch ausreichend positiv Zwei Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher
beschrieben. Es zeigen Abb. 1 Ein Ausführungsbeispiel einer einstufigen Wärmekraftmaschine
mit über die Atmosphäre offen betriebenen Kreisprozeß, insbes.
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zur Nutzung von atmosphärischer Luftwärme Abb.1.1 eine Teilzeichnung
zu Abb.1 (mit zusätzlichem Wärmetauscher für einen geschlossen betriebenen Kreisprozeß,
insbesondere zur Aufnahme von Wasserwärme) Abb. 2 Das zu Abb.1 gehörende Druck-Volumen-Diagramm
(P,v-Diagramm) Abb. 3 Das zu Abb.1 gehörende Temperatur-Entropie-Diagramm (T,s-Diagr.)
Abb. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer zweistufigen Wärmekraftmaschine mit
über die Atmosphäre offen betriebenem Kreisprozeß zur Nutzung von atmosphärischer
Luftwärme Abb.4.1 eine Teilzeichnung zu Abb.4 (mit zusätzlichem Wärmetauscher für
einen geschlossenen Kreisprozeß, insbesondere zur Nutzung von Wasserwärme) Abb.
5 Das zu Abb. 4 gehörende P,v-Diagramm Abb. 6 Das zu Abb. 5 gehörende T,s-Diagramm
Abb. 7 Das Prinzip-Bild bei gleichzeitigem Betrieb als Kraftmaschine und Kältemaschine;
Abb.7.1 für hochexergetischen Kraftm.-Betrieb Abb. 8 Meßanordnung zur Ableitung
der Gleichung 5.
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Beschreibungen Die Wärmekraftmaschine gemäß dem Ausführungsbeispiel
nach Abb. 1 (einstufige Ausführung), arbeitet mit einem über die Atmosphäre offen
betriebenen Kreisprozeß. Dieser eignet sich zur unmittelbaren Nutzung von atmosphärischer
Luftwärme. Er besteht aus dem Kompressor k, der Zweistoffdüse mit den Einzeldüsen
d1 und d2, der Vakuumkammer v, der Verdichterdüse oder Umkehrdüse d3, der Gasturbine
t, dem Arbeitsgas Pückführungsrohr r, dem Arbeitsgas-Zuführungsrohr a und dem Arbeitsgas-Abführungsrohr
z.
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Für den geschlossenen Kreisprozeß wird gemäß Abb.1.1 zusätzlich ein
Wärmetauscher w verwendet, der an die beiden Arbeitsgas-Zuführungs und Abführungsrohre
a und z (Abb.1) angeschlossen wird. Die somit erhaltene geschlossene Betriebsweise
eignet sich neben der Nutzung von Luftwärme insbesondere zur Nutzung von Wasserwärme
(Meer-, See-oder Flußwasser).
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Für die geschlossene Betriebsweise kann als Arbeitsstoff, außer der
Luft, auch ein wärmetechnisch günstigeres Arbeitsmittel verwendet werden, beispielsweise
Helium. Da der geschlossene Kreisprozeß mit wesentlich höherem Grunddruck (Expansions-Enddruck)
betrieben werden kann als der über die Atmosphäre offen betriebene, erreicht man
mit demselben Arbeitsstoff-Durchsatz - und damit bei gleicher Leistung -eine wesentliche
Reduzierung der Abmessungen der verwendeten Bauteile.
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Man erreicht somit auch eine entsprechende kostengünstigere Herstellung
der Wärmekraftanlage.
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Für den offen betriebenen Kreisprozeß (1 bar atmosphärischer Grunddruck)
sind in Abb.1, 2 und 3 Betriebsdaten angegeben, die für 1 kg Luft-Durchsatz zugrundegelegt
und berechnet wurden (siehe Beispiel 1, Eerechnungen).
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Die Wärmekraftmaschine gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Abb. 4,
arbeitet zweistufig. Gegenüber der einstufigen Ausführung (Abb.1) ist hier der Kompressor
k2, der Zwischenkühler b und das Verbindungsrohr c (zur Rückführung der Zwischenkühl-Abwärme
in die Zweistoffdüse) zusatzlich verwendet. Da diese Anlage zweistufig betrieben
ist, erreicht man höhere Nutzwerte. Auch diese zweistufige Ausführung kann über
einen Warmetauscher (Abb.4.1) vollkommen geschlossen betrieben werden.
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In Abb. 5 und 6 sind für einen geschlossen betriebenen Kreisprozeß
(3 bar Grunddruck) Betriebsdaten angegeben, die ebenfalls für 1 kg Luft-Durchsatz
zugrundegelegt und berechnet wurden (siehe Beispiel 2, Berechnungen).
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Die in den Abbildungen 1 bis 6 angegebenen Zustandswerte gelten für
jeweils 1 kg Luftdurchsatz für den Kompressor und 2 kg Luftdurchsatz über die Gasturbine
(Näheres aus den Berechnungsbeispielen).
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Um die angegebenen Zustanswerte zu erreichen, muß die Wärmekraftmaschine
zuvor mittels eines (hier nicht dargestellten) Starter-Motors "angeworfen" werden.
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Mit Abb. 7 ist eine Betriebsweise der Wärmekraftanlage für gleichzeitigen
Betrieb sowohl als "Kraftmaschine" als auch als "Kältemaschine" angegeben. Bei einer
Wärmeaufnahme aus dem Raumvolumen um den Wärmetauscher (bei Temperaturen unterhalb
der Umgebungstemperatur) arbeitet die Anlage als "Kältemaschine", wobei auf Kosten
der zugeführten Wärme (auf niederem Temperaturniveau) an der Turbine die entsprechende
mechanische Arbeit abgegeben wird (Wab = Qzu)- Bei einer über der Umgebungstemperatur
dem Wärmetauscher zugeführten Wärme arbeitet sie dagegen als reine Kraftmaschine.
In jedem der beiden Betriebsfälle wird die Wärme Q theoretisch vollständig in mechanische
Arbeit umgesetzt (Wab = Qzu)- Der theoretische Wärmewirkungsgrad für die gesamte
Anlage ergibt sich, da keine Wärme abgeführt wird, somit - unabhängig von der jeweils
umgesetzten Wärmeleistung - zu 100 % Xth = Wab / Qzu 1 .
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Da nur mechanische Arbeit von der Wärmekraftanlage nach außen abgeführt
wird (keine Abwärme), läßt sich ein vorhandenes Wärmereservoir von beliebigem oberen
Temperaturniveau nach und nach auf ein sehr tiefes unteres Temperaturniveau abbauen,
d. h. fast vollständig in mechanische Arbeit umsetzen (dieses "Vollständig", d.
h. bis auf die absolute Temperatur (-2730C) abtragen zu wollen, wäre unsinnig, da
genügend Wärme auf t'Umgebungsniveau" vorhanden ist !).
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Abb. 7.1 zeigt, ahnl. Abb.4, die Schaltung für eine 2-stufige Verdichtung,
jedoch mit dem Unterschied, daß hier hochexergetische Kraftstoffe (fossile- oder
nukleare Brennstoffe) verwendet werden können (keine Umweltwärme). Damit die Zwischenkühl-Abwarme
mitverwertet werden kann, ist hier der Wärmetauscher nach dem Zwischenkühler in
den Arbeitskreis geschaltet. Bei Abb. 4 wurde er vor den Zwischenkühler gelegt.
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Beispiel 1 Berechnungen für Ausführungsbeispiel gemaß Abb. 1, für
eine einstufige Wärmekraftmaschine mit einem über die Atmosphäre offen betriebenen
Kreisprozeß.
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Die theoretische Verdichtungsarbeit für 1 kg Gas ergibt sich (nach
F. Dietzel, Techn. Wärmelehre, Seite 98) allgemein zu
Die spezielle Gaskonstante R. für Luft ist (bei 1,013 bar = 760 Torr)
Damit ergibt sich mit den zugrundeliegenden Zustanswerten T1 = -30°C = 243 K, p1
= 1 bar, p2 = 10 bar (P2 kann auch mit zwei Kompressoren bereitgestellt werden),
n = 1,3 = Polytropenfaktor (gewählt), die aufzuwendende Verdichtungsarbeit zu m1,2
poly,
= 211,9 kJ/kg = 212,0 kJ/kg = Kompressorarbeit Wk Die Kompressionstemperatur T 2
ergibt sich mit
Die Mischtemperatur m ergibt sich allgemein zu
Da gleiche Massen (ml = m2) und gleiche spezifische Wärmen (c1 = c2) für die Zuluft
(Treiberluft) und Beiluft (nutzbares Arbeitsgas) gewählt wurden, ergibt sich die
Mischtemperatur in der "angepaßten"
Düse d2 zu
(Die Düse d ist eine "angepaßte" Düse, heißt, daß in ihr während des Mischvorganges
keine weitere Expansion des Gases, also keine Entropiezunahme stattfindet.) Der
statische Druck am Ende der Düse d1 ergibt sich allgemein (nach Bernoulli, Physik,
Band 1, Frauenfelder/Huber, Seite 281) zu
(Gl. 4.2),worin das 2. Glied 9 v12 der Gleichung 4.2 die kinetische Energie der
Volumeneinheit ? darstellt.
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Es hat die Dimension eines Drucks und wird als "Staudruck" oder "dynamischer
Druck" bezeichnet. Das letzte Glied stellt das quadratische Flächenverhältnis (F1
= Anfangs-,F2 = Endfläche) an der Düse d1 dar.
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Das Flächenverhältnis F1 2/ 922 an der Düse d1 muß nun so gewählt
werden, daß der statische Druck P2(1 bar (kleiner als Atmosphärendruck) ist, damit
die Beiluft aus der Vakuumkammer v über die Düse d angesaugt werden kann. In der
Düse d2 (de Laval-Düse) findet nun eine Mischung beider Gase auf gleiche Temperatur
und auf gleichen Druck (statischen Druck) statt. Dabei bleibt die kinetische Energie
des über die Düse d1 eingeführten Gasstrahls auch im Mischprodukt in der Düse d
erhalten, d. h. die kinetische Energie
des über die Düse d, erzeugten Gasstrahls ist gleich der kinetischen Energie
des in der Düse d2 induzierten neuen Gas strahls im Mischprodukt beider Gase.
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(Nach der Grundvorstellung der kinetischen Gastheorie -nach Clausiusverhalten
sich die Moleküle eines Gases wie vollkommen elastische Körper, die ihre kinetische
Energie unter sich vollkommen austauschen.
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Folglich kann ein unter geringem statischem Druck bewegter Gasstrahl
eine unter höherem statischem Druck stehende Gasmenge in dieselbe Richtung "mitnehmen"
und ihre kinetische energie auf diese übertragen.)
Die Größe der
kinetischen Energie E1, kin ergibt sich allgemein aus der statischen Druckdifferenz
P1 - p2 zwischen Anfang und Ende der Düse dl zu
Diese kinetische Energie ist also auch noch im Mischprodukt (mit der neuen Masse
m2, bei verminderter Geschwindigkeit v2) in der Laval-Düse d2 erhalten geblieben
falls es sich um eine "angepaßte" Laval-Düse handelt, also keine weitere Entropiezunahme
durch Expansion stattfindet.
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Um nun das Mischprodukt am Ende der Düse d3 auf einen für die Turbine
gebrauchs fähigen Druck zu bringen, wird das Mischprodukt einer "Umkehrdüse", der
Düse d3, zugeführt und auf maximal möglichen Druck gebracht.
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Die Gleichung für den max. möglichen Druck läßt sich aus der oben
angegebenen Voraussetzung herleiten, daß die kinetischen Energien vor und nach der
Mischung der beiden Gase gleich sind Es gilt allgemein:
(Arbeit, Abb.1) oder A1 = P1 . F1 S1 und A2 = PZ F2 S2 (Arbeit) oder A1 = p1.V1
und A2 = p2.V2 (Arbeit, V11V2 = Volumen) somit ist P1'V1 = P2*V2 (Gleichsetzung)
oder P1 . m1 = p2.m2 (m1,m2 = Massendurchsätze oder Massenströme, Abb. 8) Der statische
Mischdruck pm ergibt sich bei der Mischtemperatur m am Ende der Düse d3 damit allgemein
zu
Für die Herleitung von Gleichung 5 dient die Abb. 8; sie zeigt die entsprechenden
Zuordnungen der statischen Drucke P1, P2,pm und der Massenströme m1, m2 = m0 + m1
an den entsprechenden Düsenpunkten bezw. Meßstellen.
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Da im vorliegenden Beispiel 1 gleiche Massen (m1 = m2) zugrundegelegt
wurden, ergibt sich nach Gleichung 5 der maximal mögliche statische Mischdruck allgemein
zu
Gleichung 5 bezw. 5.1 gilt exakt nur, wenn die beiden Druckgefälle von Treibgas
und Beigas zuvor vollständig in kinetische Energie umgesetzt wurden. Falls beim
Mischvorgang jedoch ein Teil davon in Wärme umgesetzt wurde, ist dies für die weitere
Nutzung über die Turbine dennoch nicht abträglich, da die damit verbundene Temperaturerhöhung
den möglichen Arbeitsverlust an der Turbine wieder ausgleicht.
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Mit den in Abb. 1 angegebenen Indices (Zahlen, die den "Gaszustand"
angeben) erhält man am Ende der Düse d3 den statischen Mischdruck von maximal
Mit den Mischwerten Pm 3 = 5,5 bar, tm,3 = 80°C, m3 = 2 kg Luft und p4 = 1,1 bar
Turbinen-Ausgangsdruck, n = 1,3 (Polytropenfaktor) erhält man an der Gasturbine
eine Rückgewinnarbeit von 34,polys
= 2. -136,2 kJ/2kg = -272,4 kJ/2kg = gesamte Rückgewinn-Arbeit Wt aus 2 kg Luft.
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(Das Minuszeichen vor dem Ergebnis hat auf den Arbeitsgewinn keinen
Einfluß. Man erhält auch einen positiven Betrag, wenn man die "1" im letzten Glied
der Gleichung 6 vor die Potenz setzt und das Vorzeichen umkehrt, also
schreibt.) Die nach außen abführbare Arbeit Wab ergibt sich aus der Differenz beider
Arbeitsprozesse zu
Wab m3,4,poly,2kg ~ ml,2,poly,1kg = 272,4 -
211,9 = 60.5 kJ/2kg Die Expansions-Endtemperatur am Ausgang der Gasturbine ergibt
sich bei polytroper Betriebsweise mit n = 1,3 (Polytropenfaktor) zu
Die Ausgangstemperatur T4 = -30°C stimmt somit mit dem Anfangs zugrundegelegten
Temperaturwert, T1 = -30°C, überein.
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Die aus der Gasturbine insgesamt abgeführte Arbeit ergab sich oben
zu m3,4 = Wt = 272,4 kJ/2kg, und die insgesamt aufgewendete Kompressorarbeit zu
ml m1,2 = Wk = 211,9 kJ/kg. Daraus errechnet sich aus dem Verhältnis der Differenzarbeit
beider Arbeitsprozesse zur Kompressorarbeit der sogenannte "effektive Arbeitswirkungsgrad
nwab " der Wärmekraftanlage allgemein zu
(Wt = gesamte Turbinenarbeit, Wk = gesamte Kompressorarbeit, ab = Differenzarbeit
Wt - Wk) Mit den oben angegebenen Arbeitswerten erhält man somit für die nach Abb.
1 ausgeführte Wärmekraftmaschine einen effektiven Arbeitswirkungsgrad aus der Umgebungswärme
von
Anstelle der Arbeiten Wt und Wk oder ihrer Differenz Wt - Wk = Wab, können in die
Gleichung 7 auch die entsprechenden Temperaturdifferenzen ZTt und zTk bezw. #Tt
#Tk eingesetzt werden, die über den beiden Maschinen (Turbine und Kompressor) abfallen.
ZTt ist wegen des größeren Arbeitsstoff-Durchsatzes der Turbine gegenüber dem Kompressor
mit
einem faktor (C) zu multiplizieren, der dem Verhältnis der beiden Arbeitsstoff-
oder Massendurchsätze (m3 4 / m1,2 = 0 ) entspricht.
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Somit ergibt sich der effektive Arbeitswirkungsgrad iN s ermittelt
aus den Temperaturgefällen über den Maschinen, allgemein zu
Mit den Temperatur- und Arbeitsstoffangaben gemäß dem T,s-Diagramm, Abb. 3, erhält
man einen effektiven Arbeitswirkungsgrad (bei Einsatz genauer -Werte) zu
Beide Berechnungswege (nach Gl. 7 und Gl. 8) führen somit zu genau gleichen Ergebnissen.
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Wenn man die Rückführarbeit Wk in Gleichung 7, oder entsprechend in
Gleichung 8 die Temperatur aTk, im Zähler unberücksichtigt läßt, erhält man einen
für die Turbine um 100 % erhöhten sogenannten "Arbeitswirkungsgrad nWt ". Bei Gleichsetzung
von Gl. 7 und Gl. 8 erhält man in diesem Falle
Hier wird deutlich, daß der über 100 % hinausgehende Prozentwert des effektiven
Arbeitsgewinns an der Turbine, allein aus der Umgebungswärme entnommen wird (und
nicht aus der zuvor zugeführten Kompressorarbeit).
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Um das P,v-Diagramm maßstäblich aufzeichnen zu können, müssen noch
die einzelnen Eckpunkte mit den Volumenwerten bekannt sein. Das Anfangsvolumen v1
für 1 kg Luft bei OOC, 760 Torr = 1,013 bar, ergibt sich zu
v2 ergibt sich bei Entspannung und Komprimierung über die Düsenkaskade di, d2, und
d3 am Ende der Düse d3 zu
und das Mischvolumen mit 1 kg Beiluft (bei gleichen Temperaturen und bei gleichen
Drucken) zu
wird bei Entspannung über die Turbine
Diese Volumenwerte, aus den Druckverhältnissen berechnet, sind im P,v-Diagramm,
Abb. 2, eingetragen.
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Das Verhältnis
bestätigt (bis auf geringfügige Rechenrundungen) den oben berechneten effektiven
Arbeitswirkungsgrad erneut; er ist auch gleichzeitig eine Rückbestätigung für die
richtige Berechnung der Volumina.
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Die Nutzwerte an der Turbine ergeben sich somit, gemäß dem Ausführungsbeispiel
Abb. 1-3, Beispiel 1, zu a) Wärmegefälle ATt = (80 + 30)00 = 11000 b) Druckgefälle
# Pt = (5g5 - 1,1) bar = 4,4 bar c) effektiver Arbeitswirkungsgrad nW = Wab / Wk
= 28.5 %
Beispiel 2 Berechnungen für Ausführungsbeispiel gemäß
Abb. 4 und Abb.4.1, für eine zweistufige Wärmekraftmaschine mit über einen Wärmetauscher
geschlossen betriebenen Kreisprozeß.
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Die theoretische Verdichtungsarbeit für 1 kg Gas ergibt sich nach
Gleichung 1 (Beispiel 1) und den zugrundeliegenden Zustandswerten T1 = -40°C = 233
K = Kompressor-Eingangstemperatur, p1 = 3 bar Grunddruck bei Luft als Arbeitsstoff,
T1, = OOC Eingangstemperatur zur Zweistoffdüse, p2 = p3 = 15 bar (Verdichtungsverhältnis
= 1 : 5), P5 = Pm,5 = (P4 + P1''')/ 2 = 39 bar Mischdruck, p6 = 3,5 bar Turbinenausgangsdruck,
n = 1,3 = Polytropenfaktor, die aufzuwendende Verdichtungsarbeit für den Kompressor
k1 zu
und die für den Kompressor k2 , mit T3 = T1, = 0°G, zu
Der gesamte Arbeitsaufwand an den Kompressoren ergibt sich zu Wk = Wkl + Wk2 = m1,2
+ m3,4 = (130,3 + 152,7) kJ/kg = 283 kJ/kg.
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Die Endtemperatur an kl wird
und an k2 (bei T3 = T1 = OOC = Zwischenkühl-Endtemperatur)
Die Mischtemperatur vor dem Eintritt in die Turbine wird
Die Turbinenarbeit ergibt sich mit 2 kg Mischluft zu
Aus beiden Arbeitsprozessen erhält man die Differenzarbeit - als abführbare Nutzarbeit
- zu Wab = Wt - Wk = m5,6 - (mol ,2 + m3,4) = (389,2 - 283) kJ/2kg = 106.2 kJ/2kg.
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Die Turbinen-Endtemperatur wird (unter Berücksichtigung ausreichend
hohen Enddrucks, 3,5 bar statt 3 bar)
- 62,7 °C. Demgegenüber wurde oben die Kompressor-Eingangstemperatur zu T1 = - 40
OC angesetzt. Damit ist es möglich, relativ hohe Kälteverluste (62,7 - 40 = 22.7
OC) durch Wärmeeinbrüche am Rückführungsrohr r (Abb. 4) in Kauf zu nehmen. Man könnte
auch diesen "Wärmeeinbruch" zum Teil an der Turbine zulassen, wobei die Turbinenarbeit
entsprechend erhöht würde. Denn die Turbinenarbeit wird umso größer, je mehr man
von adiabater auf isotherme Entspannung übergeht.
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Der effektive Arbeitswirkungsgrad (das Verhältnis der Effektiv nach
außen abgegebenen Arbeit zur aufgewendeten gesamten Kompressorarbeit) ergibt sich
nach Gleichung 7 zu
= praktischer Wirkungsgrad, da bereits alle Verluste ausreichend berücksichtigt
sind.
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(Selbst bei einem Mischdruck von nur Pm 5 = 30 bar würden sich noch
ausreichend hohe Nutzwerte ergeben Wt m5,62kg = 364,1 kJ/2kg, Wab = (364,1 - 283)
= 81,1 kJ/2kg, T6 = - 52,4 OC, #Wab = 81,1/283 = 0,286 = 28,6 %.
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Mit einer 3-stufigen Kompressorkaskade würde man unter gleichen Voraussetzungen
etwa 60 % erreichen.) Die Wirkungsgradbestimmung über die Temperatur führt auch
hier (bei der zweistufigen Kompressoranlage) zu gleichem Wirkungsgrad, wenn man
die Temperaturabfälle über allen Maschinen (in Gl. 8) entsprechend berücksichtigt,
d. h. mit den ungerundeten Temperaturwerten rechnet.
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Nach Gl. 8 wird der effektive Arbeitswirkungsgrad
Die Nutzwerte an der Turbine ergeben sich somit, gemäß dem Ausführungsbeispiel Abb.
4-6, Beispiel 2, zu a) Wärmegefälle #Tt = (93,8 + 62,7) o0 = 156.5 °C b) Druckgefälle
#pt = (39 - 3,5) bar = 35.5 bar c) effekt. Arbeitswirkungsgrad i =Wab / Wk = 37.5%.
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ab Da der vorliegende Wärmekraftmaschinen-Kreisprozeß über einen
Wärmetauscher geführt ist, konnte er mit einem relativ hohen Grunddruck (hier 3
bar) betrieben werden. Dies bedeutet, daß man gegenüber einer offenen Betriebsweise
(bei atmosphärischem Grunddruck = 1 bar) bei gleichem Arbeitsstoff-Durchsatz und
damit bei jeweils gleicher Leistung, die Anlageteile (Kompressoren, Turbine, Zweistoffdüse,
Rohrleitungen usw.) mit nur 1/3 des Volumens dimensionieren muß und damit diese
Anlageteile (gegenüber einer Anlage mit offener Betriebsweise) kostengünstiger herstellen
kann. Außerdem bringt eine zwei- oder mehrstufige
Anlage höhere
Wärmewirkungsgrade, weil man wegen des höheren Turbinen-Eingangsdruck entsprechend
tiefer in das Temperaturniveau der Umwelt expandieren kann. Den hohen Turbinen-Eingangsdruck
erreicht man bei relativ hoher Arbeitsersparnis über die Kompressoren, einmal wegen
der niederen Eingangstemperatur und zum andern wegen der Zwischenkühlung, wobei
die Verwertung der Zwischenkühl-Abwärme zusätzlich ihren Beitrag zur höheren Turbinenarbeit
leistet Damit wurde mathematisch nachgewiesen, daß, es nun doch möglich ist eine
periodisch arbeitende Maschine zu konstruieren die aus einem Wärmereservoir von
gleichmäRiger Temperatur und, beliebig hohem Temperaturniveau mechanische Arbeit
gewinnt und dieses entsprechend (dem mechanischen Wärmeäquivalent) abkühlt.
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Die vorliegende Wärmekraftmaschine braucht nur einmalig auf Betrieb
zustand" gestartet zu werden, um den gewünschten Umwandlungsprozeß
| Umgebungswärme W mechanische Arbeit - Umgebungswärme |
dauernd Aufrecht zu erhalten.
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Ein uralter Traum der Menschheit, Energie in unerschdpflicher Menge
zur Verfügung zu haben, ging nun, im Einvernehmen mit den Naturgesetzen? in Erfüllung.
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In Betracht gezogene Fachliteratur und Druckschriften 1. Fritz Dietzel,
Technische Wärmelehre, 1976, insbes. Gleichung für theoretische Verdichtungsarbeit
für 1 kg Gas, S. 98 2. Frauenfelder/Huber, Einführung in die Physik, Band 1 (Mechanik,
Hydromechanik, Thermodynamik), 3. Aufl. 1968, Abschn. 62, insbes. Seite 281 3. GRIMSEHLS
Lehrbuch der Physik für höhere Lehranstalten, Teil 2, 3. Aufl. 1951, insbes. § 34.
"Die kinetische Gastheorie" Seite 81-82 4. Offenlegeschriften DE 35 15 560 Al, DE
35 21 804 Al, DE 35 27 438A1.
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Zusammenfassung der bisherigen Ergebnisse, betreffend 'gWärmekraftmaschine
zur Nutzung von Umweltwärme, insbesondere von atmosphärischer Luftwärme".
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Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine zur Nutzung von Umweltwärme
gleichmäßiger Temperatur, die sich im inneren Gleichgewicht befindet, wie z. B.
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normale Luft- oder Wasserwärme. Sie eignet sich neben dem unmittelbaren
Antrieb von Fahrzeugen insbesondere für größere stationäre Antriebe, wie z. B. zur
Stromerzeugung in Kraftwerken.
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Um Wärme von gleichmäßiger Temperatur, d. h. ohne Vorhandensein eines
natürlichen Wärmegefälles überhaupt Nutzen zu können, wird, gemäß der Erfindung,
die Wärmekraftmaschine mit einem zweiteiligen Arbeitsgas-Kreislauf ausgeführt.
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Hierbei wird der Arbeitsstoff des einen Teilkreises unmittelbar von
der Expansionsmaschine (kalt und unverdichtet) entnommen und über einen ein- oder
zweistufigen Kompressor mit Zwischenkühlung verdichtet und einer Zweistoffdüse zugeführt,
während der andere Teil des Arbeitsstoffs (ebenfalls kalt und unverdichtet von der
Expansionsmaschine entnommen) nach vorhergehender Wärmeaufnahme aus der Umgebung
und der aus der Zwischenkühlung anfallenden Abwärme (bei einer mehrstufigen Verdichtung)
unmittelbar von der Zweistoffdüse angesaugt wird. Das so aus beiden Arbeitsstoffkomponenten
aus beiden Teilkreisen in der Mischkammer der Zweistoffdüse erhaltene Mischprodukt
wird in kinetische Energie umgesetzt und in einer nachfolgenden Umkehrdüse auf einen
für die nachfolgende Gasturbine geeignete Zustandsform gebracht. Dieses Mischprodukt
mit der neuen Temperatur (der Mischtemperatur) und dem neuen Druck (dem Mischdruck)
wird schließlich einer Expansionsmaschine (Gasturbine) zugeführt, entspannt und
abgekühlt den beiden Teilkreisen erneut zugeführt.
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Da das Arbeitsgas bei der Entspannung über die Turbine sich bis unterhalb
die der Umgebungstemperatur abgekühlt hatte, war einerseits eine Wärmeaufnahme aus
der Umwelt überhaupt möglich geworden und andererseits konnte am Kompressor (zur
Bereitstellung des Treibgases) entsprechend an Verdichtungs-Arbeit eingespart werden.
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Wie nun an Hand einer thermodynamischen Berechnung gezeigt ist, wird
die aus beiden Arbeitsstoff-Teilkreisen über die Gasturbine zurückgewonnene mechanische
Arbeit -selbst bei Inkaufnahme hoher Druckverluste- merklich größer als die zur
Bereitstellung des Druckpotentials (Mischdrucks) am Kompressor benötigten Arbeit.
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Somit kann die Differenz aus den beiden Arbeitsprozessen als effektive
Nutzarbeit nach außen abgeführt werden. Diese Differenzarbeit ist das mechanische
Wärmeäquivalent der von der Wärmekraftmaschine aus der Umwelt aufgenommenen Luft-oder
Wasserwärme (W-ab = Q-zu). Das bei der Entspannung des Arbeitsstoffs unterhalb der
Umwelttemperatur erzeugte Wärmegefälle ist dabei unmittelbar proportional dem effektiven
Arbeits- oder Wärmewirkungsgrad der Wärmekraftmaschine.
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Die Wärmekraftmaschine kann neben der Umweltwärme auch höher temperierte
Wärme theoretisch vollständig in mechanische Arbeit umsetzen, z. B. Wärme aus fossilen
oder nuklearen Kraftstoffen. Damit ist eine Einsparung an Energie sowie eine entsprechende
Schadstoff- Reduzierung im größeren Umfange (ca. 60 bis 70 %) möglich geworden.
Wegen des Wegfalls der Kühleinrichtung (Kühltürme, usw.) kann eine derartige Wärmekraftanlage
außerdem preisgünstiger hergestellt werden.
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