DE3602896A1

DE3602896A1 - Verfahren und vorrichtung zur umwandlung von waermeenergie in mechanische energie

Info

Publication number: DE3602896A1
Application number: DE19863602896
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Haeberle
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-01-31
Filing date: 1986-01-31
Publication date: 1987-08-06

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie sowie auf eine Vorrichtung zur Anwendung dieses Verfahrens.

Kraftmaschinen zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie sind bereits in einer großen Anzahl unterschiedlicher Ausgestaltungen bekannt. Die beispielsweise als Dampfmaschinen, Dampfturbinen oder Stirlingmotoren bezeichneten Wärmekraftmaschinen bedürfen, um einen wirtschaftlichen Betrieb zu ermöglichen, jedoch stets ein großes Wärmegefälle des Arbeitsmediums.

Die Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie ist, nach dem zweiten Hauptsatz der Wärmelehre nur teilweise möglich. Dies bedeutet, daß bei allen Wärmekraftmaschinen mehr oder weniger Abwärme anfällt, die, um in einem Kreisprozess den Ausgangspunkt zu erreichen, an die Umgebung abzuführen ist. Daraus ergibt sich, daß der untere Punkt des Wärmegefälles noch oberhalb der Umgebungstemperatur liegen muß, damit ein ausreichendes Δ T zum Abführen der Abwärme an die Umgebung gegeben ist. Die Nutzung der unbegrenzt vorhandenen Umweltwärme in den bekannten Wärmekraftmaschinen ist deshalb nicht möglich, da zum Abführen der anfallenden Abwärme an die Umgebung kein ausreichendes Temperaturgefälle besteht.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie sowie eine Vorrichtung zur Anwendung dieses Verfahrens zu schaffen, mittels denen es möglich ist, auf kostengünstige Art insbesondere die Umweltwärme zu nutzen und ohne daß eine Transformation z. B. mittels einer Wärmepumpe erforderlich ist. Außerdem soll der Investitionsaufwand, mit dem dies zu erreichen ist, gering gehalten werden und es sollen keine Umweltschäden und/oder Verschmutzungen in Kauf zu nehmen sein.

Gemäß der Erfindung ist das Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie dadurch gekennzeichnet, daß in einem Kreisprozeß als Arbeitsmittel Kohlenstoffdioxid (CO₂) verwendet wird und daß während des Kreisprozesses dem einem Vorratsbehältnis zu entnehmenden Arbeitsmittel Wärmeenergie zugeführt wird, daß anschließend das Arbeitsmittel in einer Kraftmaschine isenthalpisch entspannt, diesem ein Teil der aufgenommenen Wärmeenergie entzogen und in mechanische Energie umgewandelt wird und daß sodann ein Teil des aus der Kraftmaschine austretenden Arbeitsmittels durch Sublimation in kristallines Kohlenstoffdioxid umgewandelt, anschließend geschmolzen und dem Vorratsbehältnis zugeführt und der andere verbleibende dampfförmige Teil des Arbeitsmittels adiabatisch verdichtet und als Kondensat in das Vorratsbehältnis eingebracht wird.

Zweckmäßig ist es hierbei, dem Arbeitsmittel die Wärmeenergie im Vorratsbehältnis und/oder bei der Zuleitung zur Kraftmaschine zuzuführen, wobei es angezeigt ist, dem Arbeitsmittel die Wärmeenergie aus der Umgebung zuzuleiten.

Der dampfförmige Teil des Arbeitsmittels sollte, um diesen später in Flüssigkeit umwandeln zu können, geringfügig über dessen Tripelpunkt adiabatisch verdichtet werden und das kristalline Kohlenstoffdioxid sollte mittels der durch die Verdichtung des verflüssigten vorher dampfförmigen Teils des Arbeitsmittels frei werdende Kondensationswärme geschmolzen werden.

Ferner ist es angebracht, das kristalline Kohlenstoffdioxid mittels einer Schneepresse in ein Schmelzbehältnis einzubringen, das über eine Überlaufleitung mit dem Vorratsbehältnis verbunden ist und durch das der verdichtete Teil des Arbeitsmittels geleitet wird.

Vorteilhaft ist es des weiteren, mittels eines Verdichters den Druck in einem der Arbeitsmaschine nachgeschalteten Entspannungsgefäß einzustellen und den Kreisprozeß in einem Tieftemperaturbereich von etwa -25°C bis -60°C ablaufen zu lassen.

Die Vorrichtung zur Anwendung dieses Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Kohlenstoffdioxid als Arbeitsmittel enthaltendes Vorratsbehältnis an eine Kraftmaschine angeschlossen ist, in der das Arbeitsmittel zur Umwandlung von aufgenommener Wärmeenergie in mechanische Energie isenthalpisch entspannbar ist, daß der Kraftmaschine ein Entspannungsgefäß, in dem ein Teil des aus dieser austretenden Arbeitsmittels durch Sublimation in kristallines Kohlenstoffdioxid umwandelbar ist, nachgeschaltet ist, an das ein mit dem Vorratsbehältnis verbundener Verdichter zur adiabatischen Verdichtung des dampfförmigen Teils des Arbeitsmittels angeschlossen ist, und daß zum Schmelzen des kristallinen Kohlenstoffdioxids dem Entspannungsgefäß ein Schmelzbehälter zugeordnet ist, der über eine Überlaufleitung mit dem Vorratsbehältnis in Verbindung steht.

Zweckmäßig ist es hierbei, das Vorratsbehältnis und/oder die dieses mit der Kraftmaschine verbindende Leitung mit einem Wärmetauscher zur Zuführung der Wärmeenergie in das Arbeitsmittel zu versehen und die Kraftmaschine als Kolbenmaschine, als Rotationsmotor oder als Strömungsmaschine auszubilden, wobei dieser eine vorzugsweise verstellbare Drossel zur Fördermengenregelung vorgeschaltet sein sollte.

Zur Einbringung des kristallinen Kohlenstoffdioxids in den Schmelzbehälter sollte ferner eine z. B. als Kolbenpumpe ausgebildete und mit einem Rückschlagventil versehene Schneepresse vorgesehen werden. Außerdem sollte das Entspannungsgefäß in Form eines Trichters ausgebildet werden, der in den Zylinder der Schneepresse einmündet.

Sehr vorteilhaft ist es auch, den Schmelzbehälter mit einem vorzugsweise in diesem angeordneten Wärmetauscher zu versehen, dem der geringfügig über den Tripelpunkt verdichtete Teil des Arbeitsmittels zuführbar und der an das Vorratsbehältnis angeschlossen ist, und in die Verbindungsleitung zwischen dem Wärmetauscher des Schmelzbehälters und dem Vorratsbehältnis eine Flüssigkeit fördernde Pumpe einzusetzen ist. Auch sollten die einzelnen Bauteile der Vorrichtung mit einer vorzugsweise diesen gemeinsamen Wärmeisolierung ausgestattet sein.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie bzw. der Vorrichtung zur Anwendung dieses Verfahrens ist es ohne große Schwierigkeiten und baulichen Aufwand möglich, die unbegrenzt zur Verfügung stehende Umweltwärme als mechanische Energie zu nutzen. Dabei treten, da Kohlenstoffdioxid in einem geschlossenen Kreisprozeß als Arbeitsmittel verwendet wird, keine Umweltschäden auf, auch sind keine Verschmutzungen irgendwelcher Art in Kauf zu nehmen. Die vorschlagsgemäße Vorrichtung stellt vielmehr eine autarke Energiestation dar, mittels der bei äußerst geringem Investitionsaufwand Wärmeenergie in vielseitiger Weise verwendbare mechanische Energie umzuwandeln ist.

In der Zeichnung ist eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie, die nachfolgend im einzelnen anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben ist, dargestellt und im einzelnen erläutert. Hierbei zeigt:

Fig. 1 die Vorrichtung in einer schematischen Darstellung,

Fig. 2 das Temperatur-Entropie-Diagramm für Kohlenstoffdioxid mit einem eingezeichneten Arbeitsbeispiel,

Fig. 3 den Laufplan nach Fig. 2 in Zahlenwerten und

Fig. 4 das zugehörige Arbeitsdiagramm.

Die in Fig. 1 mit 1 bezeichnete Vorrichtung dient zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie und besteht im wesentlichen aus einem mit einem Wärmetauscher 12 versehenen Vorratsbehältnis 11 für ein Arbeitsmittel 31, einer Kraftmaschine 15, einem Entspannungsgefäß 17 sowie einem Schmelzbehälter 22, der wiederum mit dem Vorratsbehältnis 11 verbunden ist. Als Arbeitsmittel 31 ist hierbei Kohlenstoffdioxid vorgesehen, das in dem Vorratsbehältnis 11 unter einem Druck P ₁ im flüssigen Zustand gehalten wird. Mittels einer Leitung 13, in der zur Mengenregelung eine verstellbare Drossel 14 eingesetzt ist, ist das Vorratsbehältnis 11 an die Kraftmaschine 15 angeschlossen, in der das Arbeitsmittel 31 isenthalpisch entspannt wird. Dabei wird ein Teil der mittels des Wärmetauschers 12 aufgenommenen Wärmeenergie in mechanische Energie umgewandelt, die an der Abtriebswelle 16 der Kraftmaschine 15 zur Verfügung steht.

Ein Teil des aus der Kraftmaschine 15 austretenden Arbeitsmittels 31 wird in dem Entspannungsgefäß 17 durch eine Reduzierung des Druckes auf P ₂ bei der dabei stattfindenden Sublimation in kristallines Kohlenstoffdioxid 32 umgewandelt, das mittels einer Schneepresse 18 in den Schmelzbehälter 22 eingebracht und in diesem geschmolzen wird. Die Schneepresse 18 besteht hierbei aus einem in einem Zylinder 19 eingesetzten und durch einen Kurbentrieb 21 angetriebenen Kolben 20 sowie einem Rückschlagventil 23, so daß auch bei Aufnahme des Betriebes der Vorrichtung 1 das kristalline Kohlenstoffdioxid 32, ohne daß ein Druckabfall in dem Schmelzbehälter 22, der den gleichen Druck P ₁ aufweist wie das Vorratsbehältnis 11, eintritt.

Der andere verbleibende dampfförmige Teil des Arbeitsmittels 31 wird über eine Leitung 24 einem Verdichter 25 zugeführt, mittels dem dieses adiabatisch verdichtet und somit als Kondensat über einen in dem Schmelzbehälter 22 angeordneten Wärmetauscher 26 sowie eine nachgeschaltete Flüssigkeitsförderpumpe 27 über eine Leitung 28 wiederum in das Vorratsbehältnis 11 eingebracht wird. Das in dem Schmelzbehälter 22 durch die frei werdende Kondensationswärme des dampfförmigen Arbeitsmittels ebenfalls verflüssigte kristalline Kohlenstoffdioxid 32 steht für einen erneuten Kreisprozeß ebenfalls zur Verfügung, da der Schmelzbehälter 22 mit einer Überlaufleitung 29 an das Vorratsbehältnis 11 angeschlossen ist.

Die gesamten Bauteile der Vorrichtung 1 sind, um Einstrahlungsverluste gering zu halten, von einer Wärmeisolierung 30 umgeben.

Anhand des in Fig. 2 wiedergegebenen Temperatur-Entropie- Diagramms für Kohlenstoffdioxid ist nachfolgend ein Arbeitsbeispiel beschrieben:

Gemäß dem in Fig. 2 eingezeichneten Arbeitsbeispiel beginnt bei a aus der Flüssigkeit die isenthalpische Entspannung; dabei wird in der Kraftmaschine 15 Wärmeenergie in mechanische Energie umgewandelt.

Nach Unterschreiten des Tripelpunktes fallen bis zum Punkt b pro kg Kohlenstoffdioxid 560 g kristallines Kohlenstoffdioxid bei verkleinertem Volumen an. Der verbleibende Dampfanteil x = 0,44 nimmt die dem Kohlenstoffdioxid zur kristallinen Umwandlung entzogene Enthalpie auf. Dadurch vergrößert sich dessen Volumen von 42 l pro kg auf 85 l pro kg. In dem Diagramm zeigt sich diese Volumensvergrößerung als Isobare von b nach c.

Von d nach e wird der Dampf von 4,18 bar auf 5,18 bar verdichtet, knapp über dem Tripelpunkt. Er kommt damit in den Naßdampfbereich. Beim Durchgang durch den Wärmetauscher 23 des Schmelzbehälters 22 gibt der Naßdampf Enthalpie zum Schmelzen des über die Schneepresse 18 in den Schmelzbehälter 22 eingebrachten kristallinen Kohlendioxids 31, das oftmals auch als sogenannter Kohlensäureschnee oder, in gepreßter Form, als Trockeneis bezeichnet wird, ab.

Der Dampf beginnt durch Enthalpieentzug im Verlauf seines Weges im Wärmetauscher 23 zu kondensieren und steht an dessen Ende als flüssiges Kohlenstoffdioxid wiederum zur Verfügung, das von der Flüssigkeitspumpe 27 in den Vorratsbehälter 11 zur erneuten Verwendung zurückgepumpt wird. Der Kreislauf der Vorrichtung 1 ist damit geschlossen.

Die der erzeugten nach außen abgegeben mechanischen Energie entsprechenden Wärmemenge wird bei jedem Prozeß der Vorrichtung 1 über den Wärmetauscher 12 aus der Umgebungswärme in das Arbeitsmittel 31 eingebracht.

Dem P-V-t-h-r-Laufplan gem. Fig. 3 sind die einzelnen Werte des in Fig. 2 eingezeichneten Arbeitsbeispiels für die Stationen a bis f zu entnehmen und aus dem Arbeitsdiagramm nach Fig. 4 ergibt sich durch Ermittlung der jeweiligen Flächeninhalte, daß der Aufwand an Energie geringer ist als der Gewinn an Energie. Mittels der Vorrichtung 1 ist demnach auf wirtschaftliche Weise Wärmeenergie in mechanische Energie umzuwandeln.

Claims

1. Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Kreisprozeß als Arbeitsmittel (31) Kohlenstoffdioxid (CO₂) verwendet wird und daß während des Kreisprozesses dem einem Vorratsbehältnis (11) zu entnehmenden Arbeitsmittel (31) Wärmeenergie zugeführt wird, daß anschließend das Arbeitsmittel (31) in einer Kraftmaschine (15) isenthalpisch entspannt, diesem ein Teil der aufgenommenen Wärmeenergie entzogen und in mechanische Energie umgewandelt wird und daß sodann ein Teil des aus der Kraftmaschine (15) austretenden Arbeitsmittels (31) durch Sublimation in kristallines Kohlenstoffdioxid (32) umgewandelt, anschließend geschmolzen und dem Vorratsbehältnis (11) zugeführt und der andere verbleibende dampfförmige Teil des Arbeitsmittels (31) adiabatisch verdichtet und als Kondensat in das Vorratsbehältnis (11) eingebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Arbeitsmittel (31) die Wärmeenergie im Vorratsbehältnis (11) und/oder bei der Zuleitung zur Kraftmaschine (15) zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Arbeitsmittel (31) die Wärmeenergie aus der Umgebung zugeführt wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der dampfförmige Teil des Arbeitsmittels (31) geringfügig über dessen Tripelpunkt adiabatisch verdichtet wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das kristalline Kohlenstoffdioxid (32) mittels der durch die Verdichtung des verflüssigten vorher dampfförmigen Teils des Arbeitsmittels frei werdende Kondensationswärme geschmolzen wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das kristalline Kohlenstoffdioxid (32) mittels einer Schneepresse (18) in ein Schmelzbehältnis (22) eingebracht wird, das über eine Überlaufleitung (29) mit dem Vorratsbehältnis (11) verbunden ist und durch das der verdichtete Teil des Arbeitsmittels (31) geleitet wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines Verdichters (25) der Druck in einem der Arbeitsmaschine (15) nachgeschalteten Entspannungsgefäß (17) eingestellt wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreisprozeß in einem Tieftemperaturbereich von etwa -25°C bis -60°C abläuft.

9. Vorrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kohlenstoffdioxid (32) als Arbeitsmittel (31) enthaltendes Vorratsbehältnis (11) an eine Kraftmaschine (15) angeschlossen ist, in der das Arbeitsmittel (31) zur Umwandlung von aufgenommener Wärmeenergie in mechanische Energie isenthalpisch entspannbar ist, daß der Kraftmaschine (15) ein Entspannungsgefäß (17), in dem ein Teil des aus dieser austretenden Arbeitsmittels (31) durch Sublimation in kristallines Kohlenstoffdioxid (32) umwandelbar ist, nachgeschaltet ist, an das ein mit dem Vorratsbehältnis (11) verbundener Verdichter (25) zur adiabatischen Verdichtung des dampfförmigen Teils des Arbeitsmittels (31) angeschlossen ist, und daß zum Schmelzen des kristallinen Kohlestoffdioxids (32) dem Entspannungsgefäß (17) ein Schmelzbehälter (22) zugeordnet ist, der über eine Überlaufleitung mit dem Vorratsbehältnis (11) in Verbindung steht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorratsbehältnis (11) und/oder die dieses mit der Kraftmaschine (15) verbindende Leitung (15) mit einem Wärmetauscher (12) zur Zuführung von Wärmeenergie in das Arbeitsmittel (31) versehen sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmaschine (15) als Kolbenmaschine, als Rotationsmotor oder als Strömungsmaschine ausgebildet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftmaschine (15) eine vorzugsweise verstellbare Drossel (14) zur Fördermengenregelung vorgeschaltet ist.

13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einbringung des kristallinen Kohlenstoffdioxids (32) in den Schmelzbehälter (22) eine z. B. als Kolbenpumpe (19, 20) ausgebildete und mit einem Rückschlagventil (23) versehene Schneepresse (18) vorgesehen ist.

14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Entspannungsgefäß (17) in Form eines Trichters ausgebildet ist, der in den Zylinder (19) der Schneepresse (18) einmündet.

15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzbehälter (22) mit einem vorzugsweise in diesem angeordneten Wärmetauscher (26) versehen ist, dem der geringfügig über den Tripelpunkt verdichtete Teil des Arbeitsmittels (31) zuführbar und der an das Vorratsbehältnis (11) angeschlossen ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß in die Verbindungsleitung zwischen dem Wärmetauscher (26) des Schmelzbehälters (22) und dem Vorratsbehältnis (11) eine Flüssigkeit fördernde Pumpe (27) eingesetzt ist.

17. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Bauteile der Vorrichtung (1) mit einer vorzugsweisen diesen gemeinsamen Wärmeisolierung (30) versehen sind.