DE3835048A1 - Waermekraftmaschine zur gewinnung technischer arbeit aus atmosphaerischer luftwaerme - Google Patents

Description

Vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine zur Gewinnung technischer Arbeit aus atmosphärischer Luftwärme, insbesondere zur Stromerzeugung in großen stationären (ortsfesten) Kraftanlagen (Kraftwerken) oder als Kraftantrieb für Fahrzeuge aller Art (Land-, Wasser- und Luftfahrzeuge) sowie zur Kälteerzeugung (bei gleichzeitiger Abgabe technischer Arbeit), insbesondere für größere Kühlanlagen, z. B. für Kühlhäuser.

Das Arbeitsprinzip der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine besteht darin, daß unmittelbar atmosphärische Luft (oder Luft im geschlossenen Raum) mittels eines Kompressors (Kolben-, Kreisel- oder Turbokompressor) verdichtet und über einen Druck-/Wärmespeicher in einer Düse (LAVAL-Düse) bis auf den statischen Druck Null Bar (P _st =0 bar) expandiert wird. Das hierbei in der LAVAL-Düse vollständig abbaubare Druck- und Wärmegefälle (Enthalpie-Gefälle) fällt in Form kinetischer Strahl-Energie an der Düsenmündung an und wird mittels einer Gleichdruckturbine (Ein- oder Zweikranz-Curtis-Turbine) in verwertbare technische Arbeit (Rotationsenergie) umgesetzt. Derjenige Energieanteil, der unterhalb der Umgebungsluft-Temperatur und dem Umgebungsdruck in der atmosphärischen Luft gespeichert ist, kann, abzüglich der Verluste (z. B. Rückführung der Kompressorarbeit einschließlich Wärmeverluste), in nutzbare technische Arbeit abgeführt werden. Die an der Turbine der Wärmekraftmaschine austretende atmosphärische Luft tritt abgekühlt wieder ins Freie (bei Betrieb im geschlossenen Raum in denselben), wobei die aus der Luft entnommene Wärme der abgeführten technischen Arbeit entspricht (mechanisches Wärmeäquivalent). Beim Verbrauch der gewonnenen techn. Arbeit im geschlossenen Raum tritt - (bei unmittelbarem Verbrauch, d. h. keiner Speicherung, z. B. mittels eines Akkumulators) - insgesamt keine Abkühlung auf, da sich die technische Arbeit wieder vollständig in Wärme zurückverwandelt (direkt Regenerativ).

Es ist somit ein dauernder Umwandlungsprozeß möglich, bei dem ein Teil der Luftwärme direkt in technische Arbeit und dieser wieder vollständig in Wärme zurückverwandelt wird. Ein solcher Prozeß ist nur über Düsen realisierbar, weil man die Luft bis auf den statischen Druck Null Bar (P _st =0 bar) entspannen und damit vollständig in den dynamischen Strahldruck oder Staudruck, d. h. in kinetische Strahl-Energie umsetzen und bei einem relativ hohen Wirkungsgrad über eine Gleichdruckturbine in technisch verwertbare Rotationsenergie überführen kann.

Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine erschließt somit mittels ihres "über die Atmosphäre offen betriebenen Kreisprozesses" eine direkt regenerative Energiequelle aus Luftwärme.

Wie Berechnungen zeigen, können aus 100% zugeführter Luftwärme praktisch etwa 55% in Form technisch nutzbarer Arbeit abgeführt werden, während der Rest in Form von kinetischen Strömungsverlusten und mechanischen Verlusten entsteht und unmittelbar wieder der Umgebung in Form von Wärme zugeführt wird. Bei adiabatischer Ausströmung der Luft aus der Turbine kühlt sie sich - bei maximaler Leistungsabgabe gemäß dem Beispiel - auf etwa -80°C ab. Aus etwa 200 Liter Luft von 20°C Eingangstemperatur und 0,9 bar Ansaugdruck ließe sich z. B. eine Wärmekraftmaschinenleistung von 40 kW (=54,4 PS) gewinnen und somit als Antriebsmotor für normale Kraftfahrzeuge, z. B. als PKW-Antrieb, verwenden. Für stationäre Anlagen, z. B. für Kraftwerke, sind entsprechend größere Luftmengen umzusetzen. Für 200 m³ pro Sekunde angesaugter Luft würde man das 1000fache, also eine Leistung von 40 000 kW zur Stromerzeugung bereitstellen können.

Die Umsetzung der Luftwärme in technische Arbeit erfolgt im Motor ohne die Luft chemisch zu verändern. Der Motor entzieht ihr lediglich die Wärme, die ihr jedoch wieder außerhalb des Motors (über die Atmosphäre) zugeführt wird, weil die gelieferte technische Arbeit - gemäß dem Energieerhaltungssatz - wieder restlos in Wärme zurückverwandelt wird. Es ist somit ein völlig umweltfreundlicher Betrieb möglich. Die Wärmekraftmaschine ist auch bei kalten Lufttemperaturen (Winter) betriebsfähig, jedoch bei verminderter Leistung, da das nutzbare Wärmegefälle bei Umgebungsdruck kleiner ist als bei höherer Temperatur. Dieser Nachteil läßt sich teilweise beheben, wenn man die bei polytropischer Verdichtung ohnehin abzuführende Verdichtungswärme der angesaugten kalten Außenluft - über einen Wärmetauscher - wieder zuführt.

An Hand der Zeichnungen, Abb. 1-8, soll das Wesen der Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt

Abb. 1 ein Prinzip-Bild der Wärmekraftmaschine;

Abb. 1.1 eine Zusatzzeichnung zu Abb. 1 (für verschiedene Nutzungsmöglichkeiten der abzuführenden Kaltluft und Verdichtungswärme);

Abb. 1.2 desgl. wie Abb. 1.1;

Abb. 2 schematische Darstellung einer nach Abb. 1 ausgeführten Wärmekraftmaschine;

Abb. 2.1 eine Detail-Zeichnung zu Abb. 2 (LAVAL-Düse, schematisch);

Abb. 2.2 eine weitere Detail-Zeichnung zu Abb. 2 (Zweikranz-Curtis- Turbine ausschnittsweise, schematisch);

Abb. 3 Diagramm für den Verlauf des statischen und dynamischen Drucks in der LAVAL-Düse, Turbine und Turbinenausgang gemäß dem durchgerechneten Beispiel;

Abb. 4 Druck-Volumen-Diagramm (P,V-Diagr.) für die komplette Wärmekraftmaschine (Kompressor, Düse und Turbine) gemäß dem Beispiel;

Abb. 5 spezielle Angaben für Düse und Strahl zur Erläuterung der Abb. 3 und 4;

Abb. 6 schematische Darstellung des Zusammenwirkens von LAVAL-Düse und Gleichdruckturbine (einstufige Curtis-Turbine);

Abb. 6.1 eine Detail-Zeichnung zu Abb. 6 (Führungsrohr zur Aufnahme von Beiluft für den mit statischem Unterdruck aus der LAVAL-Düse tretenden Luftstrahl);

Abb. 7 Prinzip-Bild wie Abb. 1, jedoch mit eingetragenen Rechenergebnissen gemäß dem Beispiel;

Abb. 8 Energiefluß-Diagramm (Sankey-Diagr.) mit Eintrag von Rechenergebnissen laut Beispiel;

Gemäß dem Prinzip-Bild nach Abb. 1 besteht die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine im wesentlichen aus folgenden Hauptteilen:

• a) dem Anlasser-Motor (oder Starter-Motor) M,
• b) der Anlasser-Kupplung K₁,
• c) dem Kompressor K _p (Turbo-, Kolben- oder Kreiselverdichter),
• d) dem Druck-/Wärmespeicher P (bei Kolbenverd. als Pufferkessel verw.),
• e) der Düse D (LAVAL-Düse),
• f) der Turbine T (ein- oder zweistufige Curtis-Turbine),
• g) der Rückführungs- oder Stoppkupplung K₂,
• h) der Lastkupplung K₃ (zur Kupplung mit einem Verbraucher G),
• i) dem Regel- oder Steuerventil R _v für Zuluft (Leistungsregelung).

Der Betriebsablauf (Start, Leistungsregelung, Stopp) der Wärmekraftmaschine geschieht wie folgt (Abb. 1):

Nachdem die Rückführungs- oder Stoppkupplung K₂ und die Lastkupplung K₃ entkuppelt sind sowie das Regel- oder Steuerventil R _v geöffnet ist, kann der Starter-Motor M angelassen, die Kupplung K₁ eingelegt und der Kompressor K _p in Betrieb gesetzt werden. Nachdem im Druck-/Wärmespeicher genügend Energie für die zunächst leerlaufende Turbine vorhanden ist, kann die Rückführungs- oder Stoppkupplung K₂ eingelegt und die Starterkupplung K₁ entkoppelt bzw. der Starter-Motor außer Betrieb genommen werden.

Um ein zusätzliches Absperrorgan zwischen dem Druck-/Wärmespeicher P und der Düse D zu vermeiden, ist zwecks raschem Aufbau des notwendigen dynamischen Strahldrucks (für den Eigenbetrieb des Kompressors) die Förderleistung des Starter-Motors so stark zu bemessen, daß bei normaler Düsenabflußleistung der Betriebsdruck für den zunächst notwendigen Eigenbetrieb des Kompressors ausreicht, d. h. der Leerlaufbetrieb (ohne äußere Arbeitsabgabe) aufrechterhalten wird. Ist dieser Betriebszustand erreicht, kann auch die Lastkupplung K₃ - bei gleichzeitigem weiteren Öffnen des Regel- oder Steuerventils R _v - eingelegt und somit auch der Lastbetrieb aufgenommen werden. Falls es sich um schwankenden Lastbetrieb handelt, kann durch Hand- oder selbständige Regelung über das Regel- oder Steuerventil R _v die Energiezufuhr (Luftmengenzufuhr) geändert und der jeweils vorhandenen Leistungsanforderung angeglichen werden.

Um die Wärmekraftmaschine außer Betrieb zu nehmen wird das Regel- oder Steuerventil R _v so stark gedrosselt, daß bei entsprechend langsamer Drehzahl der abgehenden Turbinenwelle die Entkopplung der Lastwelle von der Turbinenwelle über die Kupplung K₃ vorgenommen werden kann. Durch vollständiges Schließen des Regel- oder Steuerventils kann anschließend die Turbine bzw. der Motor vollständig zum Stillstand gebracht werden. Es ist auch möglich die Turbine bzw. den Motor dadurch außer Betrieb zu nehmen, indem man die Antriebswelle zwischen Turbine und Kompressor durch Entkoppeln von K₂ unterbricht, wodurch die Antriebsarbeit für den Kompressor unterbleibt, so daß zufolge der rasch abnehmenden Strahlleistung über die Düse die Turbine bzw. der Motor zum Stillstand kommt. Bei dieser Art der Stillsetzung kann die Lastkupplung K₃ mit der Lastwelle gekuppelt bleiben.

Der Druck-/Wärmespeicher P ist volumenmäßig lediglich so groß zu bemessen, daß die Einströmgeschwindigkeit der Preßluft in den Druck-/ Wärmespeicher im Behälterinnern praktisch zum Stillstand kommt, ehe sie über die Düse (oder Düsen) wieder abfließt. Damit ist der später folgenden Voraussetzung (w₁=0) zur Berechnung der Strahlgeschwindigkeit Rechnung getragen. Der Druck-/Wärmespeicher findet gleichzeitig auch als "Pufferkessel" zur Beruhigung des Luftstrahls bei diskontinuierlich arbeitenden Verdichtern, z. B. bei Kolbenverdichtern, Verwendung.

Mit Abb. 1.1 und 1.2 sind Möglichkeiten gezeigt, wie man die beim Betrieb der Wärmekraftmaschine (neben der technischen Arbeitsabgabe) anfallende Kälte- und Wärmeleistung nutzbringend verwerten kann.

Wie in Abb. 1.1 gezeigt ist, kann man die an der Turbine abgehende Kaltluft für Kühlzwecke verwenden, indem man sie an der wärmedurchlässigen Seite eines zu kühlenden Raumes (Kühlraumes) vorbeiführt, und/oder die kalte Abluft direkt einem zu kühlenden Raum zuführt, z. B. einem Kühlhaus oder - in entsprechend heißen Jahreszeiten - auch einem Wohnhaus, usw.

Die bei polytropischer Verdichtung (bei jeder Außentemperatur) abzuführende Wärme ließe sich in kalten Jahreszeiten für Heizzwecke verwenden, z. B. für Raumheizungen (bei Fahrzeugen z. B. zur Beheizung des Fahrzeug-Innenraumes) und/oder zur Erhöhung der Enthalpie der über den Kompressor angesaugten Kaltluft, wie z. B. in Abb. 1.2 gezeigt ist. Die Luftvorwärmung (Enthalpie-Aufnahme) erfolgt über einen Wärmetauscher (W _t ). Die bei polytropischer Verdichtung (Anwendung wegen geringeren Arbeitsaufwandes und Verschleißfestigkeit des Kompressors) abzuführende Verdichtungswärme kann zwischen Raumheizung und Luftvorwärmung variiert werden durch Einbau entsprechender Ventile und Bypässe (Überbrückungsleitungen), wie z. B. in Abb. 1.2 angedeutet ist.

Für stationäre Anlagen, z. B. für Kraftwerke, läßt sich in kalten Jahreszeiten zur Enthalpie-Erhöhung der relativ kalten Außenluft auch Wasserwärme verwenden, falls die Wassertemperatur ausreichend höher ist als die Lufttemperatur, also bei T _H20<T _Luft (Abb. 1.1).

Ein praktisch mögliches Ausführungsbeispiel der Wärmekraftmaschine ist in Abb. 2 gezeigt. Es findet eine einstufige Gleichdruckturbine (mit einem Laufrad und einem Leitrad) Verwendung. Um die Leistung des Luftstrahls besser auszunützen, kann auch eine 2stufige Ausführung (Abb. 2.2) Verwendung finden, wobei zur Einspeisung des Luftstrahls in das Laufrad der Turbine eine LAVAL-Düse dient (Abb. 2.1).

Neben diesem mit Abb. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel, das vorwiegend für Landfahrzeuge geeignet ist, ließe sich das Arbeitsprinzip auch auf Luftfahrzeuge in Form eines sogenannten "Luftstrahltriebwerkes" anwenden. Hierbei wird die Luft von vorne angesaugt und hinten (bei statischem Unterdruck, also abgekühlt) bei hoher Geschwindigkeit wieder ausgestoßen. Das Druckgefälle muß auch hier bis unterhalb des statischen Atmosphärendrucks über Düsen entspannt werden, damit die Schubarbeit größer wird als die Kompressionsarbeit. (Der statische Unterdruck des aus der LAVAL-Düse mit Überschallgeschwindigkeit austretenden Luftstrahls bewirkt beim Aufstoß auf die Atmosphäre keinen Schubverlust, da der Luftstrahl bereits vor Verlassen der Düse seinen Reaktionsimpuls an die Düsenmasse abgegeben hat und somit eine nachträgliche Geschwindigkeitsverzögerung in der Atmosphäre sich auf die Vortriebsarbeit nicht mehr auswirken kann.)

Die Vortriebsarbeit wird auch hier durch den Verbrauch an Luftwärme, die unterhalb dem Atmosphärendruck gespeichert vorliegt, aufgebracht. Die damit gewinnbaren Schubkräfte sind bei einem solchen Luftstrahltriebwerk relativ hoch, weil sowohl die mit rel. hoher Geschwindigkeit aus dem Leitrad austretende Luftmasse als auch der Unterdruck an der Lufteinlaßstelle die Vortriebskraft zusätzlich steigert. Ein solches Luftstrahltriebwerk ist bei großflächiger Ausführung, also bei diskusförmiger Bauweise besonders wirksam. Durch unterschiedliches Öffnen und Schließen der eigentlichen Vortriebsdüsen, die auf dem äußersten Diskuskranz separat angeordnet sind, läßt sich ein solches Flugobjekt in jede beliebige Richtung steuern (nicht dargestellt).

Berechnung der Wärmekraftmaschine

Ausgehend von einem in der Fachliteratur (1), Anhang, durchgerechneten Beispiel für die polytropische Verdichtung von Luft mittels eines Kompressors, soll im folgenden die komplette Wärmekraftmaschine nach Abb. 1 durchgerechnet und die erhaltenen Daten in den Abb. 3 bis 8 festgehalten werden.

Es werden (gemäß dem 36. Beispiel der Literatur (1), Seite 59)
8 m³ Luft von 0,9 bar und 20°C polytropisch mit n=1,2 auf 8,1 bar verdichtet.

• a) Wie groß ist die Endtemperatur?
• b) Wie groß ist das Endvolumen?
• c) Welche Arbeit muß aufgewendet werden?
• d) Wie groß ist die abzuführende Wärmemenge?

Lösung

• a) Endtemperatur
• b) Endvolumen
• c) Aufzuwendende Arbeit
• d) Abzuführende Wärme

Berechnung der Strahlgeschwindigkeit an der Düsenmündung

Es ist allgemein bekannt (z. B. nach Literatur (2), "X. Thermische Strömungsmaschinen", Seite 304-319, insbes. Gl. 308.1 bis 308.3), daß über Düsen, insbes. LAVAL-Düsen, eine am Düseneingang vorhandene Druck-/Wärmeenergie (Enthalpiegefälle) eines Gases an der Düsenmündung (bei entsprechend hoher Geschwindigkeit) bis auf den statischen Druck Null Bar (P _st =0 bar) entspannt, also vollständig in kinetische Energie überführt werden kann. Dieser Zusammenhang ist aus der Bernoullischen Gleichung abgeleitet, wonach die Summe der absoluten statischen und dynamischen Drucke einer Flüssigkeits- oder Gasströmung in einem Strömungsrohr unterschiedlichen Querschnitts konstant bleibt:

Entsprechendes muß auch für die absoluten Temperaturen einer Gasströmung in einem Strömungsrohr unterschiedlichen Querschnitts gelten. Es ergibt sich zusammenfassend bei Verwendung der Indizes nach Abb. 3-5:

• a) Für den absoluten Druck: (Druck im Druck-/Wärmespeicher P)
• b) Für die absolute Temperatur (neue Definition): (Temperatur im Druck-/ Wärmespeicher P)

Bei =0 bar (Abb. 3) wäre somit die zugehörige Temperatur

Das ist auch verständlich, denn bei =0 bar ist der Molekulardruck auf die innere Düsenwand an der Düsenmündung Null. Dies bedeutet, daß alle vorhandenen Moleküle sich in Strömungsrichtung bewegen und somit mit der "mitbewegten" Temperatur-Meßsonde zu keinem Energieaustausch kommen können, z. B. mit quer zur Strömungsrichtung laufenden, da es solche - wegen =0 bar - nicht geben kann.

Es handelt sich demnach um eine "gerichtete" Molekularströmung von Luftmolekülen, die auf der Auftreffstelle (z. B. an der Turbinenschaufel) eine dem Wärmeinhalt entsprechende kinetische Energie besitzen und auf diese übertragen. Würde die Temperatur-Meßsonde festgehalten werden, dann würde ein Energieaustausch der Moleküle bzw. der Molekularströmung mit der Meßsonde möglich sein und man würde die "dynamische" Temperatur =423 K an der Düsenmündung messen können, die mit der "statischen" Temperatur im Druck-/Wärmespeicher P identisch wäre.

Bei Herabsetzung des statischen Drucks und damit der statischen Temperatur auf =0 bar bzw. =0 K könnte man somit das gesamte Druck- und Wärme-Energiegefälle im Druck-/Wärmespeicher P (Abb. 1) über die LAVAL-Düse in Geschwindigkeits-Energie bzw. in kinetische Strahl-Energie umsetzen können. Der Gasstrahl bzw. Luftstrahl würde dabei mit dem dynamischen Druck (oder Staudruck) =8,1 bar (=Absolutdruck) auf die Turbinenschaufeln einwirken und den kinetischen Energieinhalt des Strahls (mit Ausnahme der Restgeschwindigkeits-Energie des Strahls) in technisch verwertbare Form (Rotationsenergie) umsetzen.

Die gesamte Strahlenergie errechnet sich aus dem gesamten Energieinhalt des im Druck-/Wärmespeicher in Form von Druck und Wärme vorhandenen Energie.

Berechnung des Wärmeinhalts (Enthalpie H und h) der komprimierten Luft im Druck-/Wärmespeicher P (Abb. 1):

Nach Literatur (1), Seite 44, ergibt sich die Gesamtenthalpie zu

H = U + p V für m kg Gas (bzw. Luft)
oder
H = m · C _pm · T₂ + p₂ · V₂

Hierin bedeutet C _pm die mittlere spezifische Wärmekapazität bei t₂=150°C bzw. T₂=423 K. Sie ergibt sich aus Literatur (1), Tafel 10, Seite 151, zu C _pm =1,01 kJ/kg K (interpolierter Wert). Damit ergibt sich zusammen mit den bereits oben berechneten Werten die Gesamtenthalpie zu

Spezifischer Energieinhalt für 1 kg Gas bzw. Luft:

Mit h=Δ h=547,62 kJ/kg ergibt sich somit die Strömungsgeschwindigkeit an der Düsenmündung (nach Literatur (2), Gl. 308.3 u. Index¹), Seite 308) bei reibungsfreier Strömung und Anfangsgeschwindigkeit w₂=0 (Abb. 5) zu

(Für die reibungsbehaftete Düse gilt Gl. 315.2. Wie später zu sehen ist, werden die Verluste durch den sogenannten Gütegrad der Anlage berücksichtigt.)

Mit der erhaltenen Strahlgeschwindigkeit und der Strahlmasse läßt sich die kinetische Strahlenergie berechnen zu

Da der kinetische Energieinhalt des Strahls und der Wärmeinhalt im Druck-/Wärmespeicher praktisch identisch sind:

W _3(Strahl) = H
4685,53 kJ ≈ 4688,72 kJ,

ist das Ergebnis rechnerisch als auch physikalisch richtig. Die Identität besagt, daß sich das gesamte Wärme- und Druckgefälle bzw. Enthalpie-Gefälle H in der Düse in kinetische Strahlenergie umgesetzt hat.

Es ist somit zufolge der Geschwindigkeitserhöhung der Strahlmasse der statische Anfangsdruck von P _2,st =8,1 bar und die statische Anfangstemperatur T _2,st =423 K vollständig in den dynamischen Druck P _3,dy =8,1 bar und in die dynamische Temperatur T _3,dy =423 K übergegangen und gleichzeitig P _2,st =8,1 bar auf P _3,st =0 bar und T _2,st =423 K auf T _3,st =0 K abgefallen (Abb. 3).

Beim Eintritt des Strahls in die Atmosphäre reduziert sich seine Geschwindigkeit zu Gunsten der vom Strahl von außen aufgenommenen und beschleunigten Luftmassen. Denn infolge niederen statischen Drucks bzw. niederer Dichte ( ρ=m/V) wird der Strahl "saugfähig" [Anwendung z. B. bei Wasserstrahl- oder Quecksilberstrahlpumpen zum Absaugen von Luft (evakuieren) aus einem Rezipienten. Beschreibung und Berechnung z. B. nach Literatur 4), c) die Wasserstrahlpumpe, Seite 281.], d. h. er nimmt umgebende Luft (Beiluft) in sich auf, so daß sich seine Dichte bei konstantem Volumen erhöht (Abb. 5). Die Gesamtenergie des Strahls, einschließlich der aufgenommenen beschleunigten Luftmassen, bleibt jedoch erhalten (Energiesatz!) da wegen

keine zusätzliche Raumänderungsarbeit gegenüber dem Atmosphärendruck und keine Verdichtungsarbeit geleistet werden muß. Es ist also die kinetische Gesamt-Energie im Zustand 4 ebensogroß wie im Zustand 3:

Dies besagt also, daß die auf die Turbinenschaufeln in der Tat auftreffende Strahl-Energie

ebensogroß ist wie die unmittelbar aus der Düsenmündung austretende Strahl-Energie

Die auf die Turbinenschaufeln zu übertragende Energie W _{4,kin (Turb.)} kann daher im folgenden so berechnet werden, als ob sich die Strahlgeschwindigkeit w _3,Strahl nicht reduziert und die Strahlmasse m₃ sich nicht erhöht hätte.

Um jedoch echte Verluste beim weiteren Durchlauf des gesättigten Strahls (P _4,st =1 atm, Abb. 3) durch die Atmosphäre bis zum Auftreffen auf die Turbinenschaufeln zu vermeiden, darf der Abstand zwischen Düsenmündung und Turbineneingang nicht zu groß gemacht werden (nur einige Millimeter, Abb. 6), damit möglichst die gesamte Luftmasse

im Zustand 4 (Abb. 5) bei laminarer Strömung von den Turbinenschaufeln (Abb. 6) erfaßt wird. Um eine möglichst laminare Strömung während der Beiluft-Aufnahme zu erreichen, ist der Düsenausgang zweckmäßigerweise mit einem entsprechenden Führungsrohr zu versehen, wie z. B. in Abb. 6.1 dargestellt ist.

Die Nutzung der kinetischen Energie des Strahls erfolgt über eine Gleichdruckturbine (Aktionsturbine, Umwandlung von Druck- in Geschwindigkeitsenergie über Düsen). Der Dampf bzw. die Luft wirkt nur durch seine Auftreffwucht bzw. kinetische Energie (siehe z. B. Literatur (2), Bild 218, Seite 318). Der höchste Wirkungsgrad der Turbine ergibt sich bei U/C₁=0,5 (Umfangsgeschwindigkeit=halber Strahlgeschwindigkeit), (Abb. 6).

Mit der oben berechneten Strahlgeschwindigkeit

ergibt sich die höchste über die Turbine abführbare Rotationsarbeit zu

Der kinetische Strahlverlust des abgehenden Strahls ergibt sich zu

Die Summe beider Strahl-Energieanteile muß die gesamte kinetische Energie des Luftstrahls ergeben:

W _4,kin(Turb.) + W _{5,kin(Strahlverlust)}
3514,11 kJ + 1171,4 kJ = 4685,5 kJ

Es ergab sich bereits oben:

W _{3,kin(Strahl)} = 4685,53 kJ
Enthalpie H = 4688,72 kJ

Die Summe dieser beiden Werte ist also (bei vernachlässigbarer Abweichung) praktisch identisch mit der zur Verfügung stehenden kin. Energie W _{3,kin(Strahl)} des Luftstrahls sowie mit dem im Druck-/Wärmespeicher gespeicherten Gesamt-Enthalpie H. Ihre Identitäten beweisen die physikalische und rechnerische Richtigkeit.

Die tatsächliche gewinnbare (effektive) Arbeit an der Turbinenwelle ergibt sich jedoch abzüglich zusätzlicher Verluste, die durch den sogenannten Gütegrad der Maschinenanlage berücksichtigt werden müssen.

Der Gütegrad η _g einer Maschinenanlage berücksichtigt die Strömungsverluste des Arbeitsmittels, Reibung, Lagerreibung usw. Der Gütegrad ist u. a. vom Ansaugstrom m³/h abhängig. In der Fachliteratur sind Erfahrungswerte angegeben, z. B. in Literatur 3), "HÜTTE", Tafel 2, Seite 738.

Bei einer zweistufigen Verdichtung (und Entspannung) von Luft mittels eines Kolbenverdichters (Stand vor dem Jahre 1949) von 1 auf 7 kg/cm² liegt der mechanische Wirkungsgrad bzw. Gütegrad (neue Bezeichnung) für den vorliegenden Ansaugstrom von 8 m³ Luft (1 bar → 8,1 bar) pro Sekunde , also pro Stunde:

8 m³/s · 3600 s/h = 28 800 m³/h, bei 91%.

Er gilt für den Bereich ab 10 000 m³/h bis 50 000 m³/h.

(Bei 1 kg = 0,7735 m³/kg pro Sekunde geförderter Luftmenge bzw. pro Stunde von

0,7735 m³/s · 3600 s/h = 2784 m³/h

läge er noch bei 89%!)

Mit einem Gütegrad von je η _g =0,9 für die vorliegende Maschinenanlage (Kompressor, LAVAL-Düse und Gleichdruckturbine) ergeben sich damit folgende Energiebilanzen:

I. Energiebilanz, theoretische Werte

Maximaler Wirkungsgrad bei U/C₁=0,5, d. h. nutzbare Geschwindigkeit bei Verwendung einer einstufigen Gleichdruckturbine:

Da die Strahlgeschwindigkeit proportional der zugeführten Wärme ist, ergeben sich folgende maximale Wirkungsgrade:

II. Energiebilanz, praktische Werte bei η _g = 0,9

Mit dem gemäß im Beispiel berechneten und praktisch erreichbaren effektiven Arbeitsgewinn von Δ W _eff. =1393 kJ und der zugeführten Luftwärme von Q _zu =Q₁=2533 kJ ergab sich der sog. Anlagenwirkungsgrad der Wärmekraftmaschine praktisch zu η _{Anlage(prakt.)} =55%. Von Q₁=2533 kJ=100% zugeführter Luftwärme werden somit Q₁-Δ W _eff. =(2533-1393) kJ=1140 kJ als Verlustwärme (kinetischer Reststrahlverlust) abgeführt. Das ergab nach obiger Berechnung 45% von der zugeführten Luftwärme.

Da der maximale (theoretische)Wirkungsgrad bei einer 1stufigen Gleichdruckturbine (Curtis-Turbine) bei 75% liegt und laut Beispiel insgesamt 20% Verluste angesetzt wurden, ist der oben erhaltene Anlagenwirkungsgrad von η _{Anlage(prakt.)} =55% rechnerisch richtig:

Diese Werte sind in einem Energieflußdiagramm (Sankey-Diagr.) in Abb. 8 dargestellt.

Der mit relativ hoher kinetischer Energie aus der Turbine tretende Luftstrahl wird beim Eintritt in die Atmosphäre abgebremst und in Wärme (Luftreibungswärme) umgewandelt.

Mit W _{5,kin.(Strahlverlust)} = Q _{5(Strahlverlust)} =1171,4 kJ, wie oben bereits berechnet, ergibt sich bei angenommener adiabatischer Ausströmung eine Erwärmung der Strahlmasse um

Damit ergibt sich die Lufttemperatur der gesamten Strahlmasse zu

t₅ = Δ T₅ - 273 K = (191 - 273)°C = - 82°C.

Mit den nun vorliegenden absoluten Temperaturen aus Eingangstemperatur T₂=423 K und Ausströmtemperatur Δ T₅=191 K läßt sich die Verlustwärme der Wärmekraftmaschine ebenfalls angeben:

Verlustwärme = Δ T₅/T₂ = 191 K/423 K = 0,45 = 45%

In der Praxis wird die Temperatur der abgehenden Luft größer sein als -82°C weil sie sich infolge Beiluftaufnahme auf der Strecke 3-4 infolge Mischung bereits erwärmt hat und auf der Strecke 4-5 an die Umgebungsluft sich weiter angleicht, also keine adiabatische Ausströmung stattfinden kann (Abb. 5).

Die im Beispiel berechneten und gerundeten Werte sind in den Abb. 3-8 eingetragen. Da die Strömungsverluste in der LAVAL-Düse gegenüber den Kompressorverlusten relativ klein sind, wurden sie im Gütegrad ( η _g ) des Kompressors bzw. Turboverdichters mit einbezogen.

Um Enthalpie-Verluste der bereits komprimierten Luft zu vermeiden, ist das Zuleitungsrohr vom Kompressor bis zum Druck-/Wärmespeicher sowie der Druck-/Wärmespeicher selbst und die sich anschließende LAVAL-Düse mit einer geeigneten Wärmeisolation zu versehen (Abb. 1).

Da der Luftstrom in der Düse mit Überschallgeschwindigkeit austritt ist ihre Konstruktion entsprechend den Grundsätzen einer LAVAL-Düse zu konstruieren, wie sie z. B. in der Literatur (2), Seite 308-315, insbes. Bild 211-213, Seite 311-313 und ähnlich Beispiel auf Seite 312-314, angegeben sind.

Um den spezifischen Energiegewinn aus Luftwärme zu erhöhen kann man die Verdichtung zwei- oder mehrstufig mit Zwischenkühlung bis auf Umgebungstemperatur (etwa Isotherm) durchführen und so den Arbeitsaufwand zur Bereitstellung der Preßluft senken (z. B. nach Literatur (1), 3.5.2 Mehrstufige Verdichtung, Seite 100-106, insbes. 53. Beispiel). Außerdem kann man durch Nutzung der Abwärme (die bei polytropischer oder isothermer Verdichtung oder bei einer Zwischenkühlung anfällt) das Temperaturniveau der vom Kompressor angesaugten Luft bei Umgebungsdruck anheben (Abb. 1.2) und damit die spezifische Arbeit (kJ/kg=Kilojoule pro kg Luft) der Wärmekraftmaschine zusätzlich steigern.

Um die Energiedichte der Wärmekraftmaschine (kJ/dm³=Kilojoule pro dm³ oder Liter Anlagenvolumen) zu erhöhen, kann man den Arbeitsprozeß in einem geschlossenen Behälter bei künstlich erhöhtem Atmosphärendruck (z. B. in einer Stickstoffatmosphäre) durchführen und den äquivalenten Wärmebetrag, der in Form technischer Arbeit aus dem Behälter abgeführt wird, mittels eines Wärmetauschers von außen zuführen (nicht dargestellt).

Eine kompakte Ausführung der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine, bei der ein Turboverdichter zusammen mit einer einstufigen Gleichdruckturbine in einem einzigen Gehäuse untergebracht sind, ist in Abb. 2 schematisch dargestellt. Diese Ausführung nimmt unmittelbar Umgebungsluft von außen auf und gibt sie abgekühlt nach außen wieder ab. Die Turbine ließe sich auch zwei- oder mehrstufig ausführen, womit man eine bessere Nutzung der Strahl-Energie, insbes. bei hohen Strahlgeschwindigkeiten, erreichen würde. In Abb. 2.2 ist (ausschnittsweise) eine zweistufige Zweikranz-Curtis-Turbine schematisch dargestellt. Sie erreicht bei der Geschwindigkeitsstufung U₁/C₁=U₂/C₂=0,5 den größtmöglichen Wirkungsgrad, der bereits im Beispiel mit

angegeben wurde. Bei der Einkranz-Ausführung läge er bei

Bei der einstufigen Ausführung könnten also maximal (theoretisch) 75% und bei der zweistufigen Ausführung 93,75% der von außen zugeführten Luftwärme Q₁ in technische Arbeit überführt werden. Wegen den unvermeidlichen Verlusten wird man bei beiden Ausführungen mit etwa 20% unterhalb der theoretischen Werten liegen.

Gemäß der Ausführung nach Abb. 2 erfolgt der Antrieb der Turbine über mehrere, auf dem Umfange des Druck-/Wärmespeichers verteilte und schräg zum Laufrad der Gleichdruckturbine gestellte LAVAL-Düsen. Diese Ausführung ist beispielsweise als KFZ-Antrieb geeignet und wohl als die "umweltfreundlichste Wärmekraftmaschine" einzustufen, die es zur Zeit gibt. Nicht nur weil sie keine Schadstoffe hinterläßt sondern weil sie, im Gegenteil, auch Schadstoffe, z. B. Luftstaub, aus der Umwelt beseitigt, falls man die Luft über ein entsprechendes Filter ansaugt und somit gereinigt wieder nach außen abgibt.

Mit einem gemäß dem Berechnungsbeispiel erhaltenen spezifischen Arbeitsgewinn von 162,7 kJ pro kg Luft ließe sich bei einer Ansaugzeit von 1 Sekunde damit eine Leistung von 162,7 kJ/kg · 1 sec.=162,7 kW/kg erreichen, wobei 1 kg bzw. 1 kg/1,2046 kg/m³=0,83012 m³ Luft von 20°C und 1 atm pro Sek. (bei voller Leistungsnutzung) angesaugt werden müssen. Für kleinere Leistungen würde man entsprechend weniger Luft benötigen, z. B. für 40 kW54,4 PS etwa 200 l/s, genau:
40 kW · 830,12 l/s/162,7 kW=204,085 l/s.

Für stationäre Kraftanlagen, z. B. für Kraftwerke, müssen für große Leistungen entsprechend große Luftmengen umgesetzt werden. Für beispielsweise 200 m³ pro Sekunde über einen Turboverdichter angesaugter Luft von 1,2046 kg/m³ · 200 m³=240,9 kg würde man das 1000fache obiger PKW-Leistung, also etwa 40 000 kW zur elektr. Stromerzeugung "umweltfreundlich" bereitstellen können.

Im folgenden sei das wesentliche Ergebnis der "Wärmekraftmaschine zur Gewinnung technischer Arbeit aus atmosphärischer Luftwärme" kurz zusammengefaßt.

Vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine, die die Enthalpie von normaler atmosphärischer Luft bei Umgebungsdruck- und Temperatur durch Herabsetzen ihres statischen Strahldrucks und ihrer statischen Strahltemperatur bei der Geschwindigkeitsbildung über eine LAVAL-Düse vollständig in kinetische Strahl-Energie umsetzt. Die so durch Abbau des gesamten Druck- und Wärmegefälles (Enthalpie-Gefälles) in Form von kinetischer Molekularströmung erhaltene kinetische Energie kann über eine Turbine (Gleichdruck-Curtis-Turbine, 1- oder mehrstufig) bei relativ hohem Wirkungsgrad in technisch verwertbare Rotationsenergie umgesetzt werden.

Um den über die Atmosphäre offen betriebenen Kreisprozeß in Gang zu setzen, wird sie gemäß Abb. 1 mittels des Anlassers M und Kupplung K₁ gestartet, wobei mittels des Turbo-Kompressors K _p über das Regelventil R _v Umgebungsluft angesaugt, polytropisch komprimiert und über einen (relativ kleinen) Druck-/Wärmespeicher P der LAVAL-Düse D zugeführt wird. In der Düse wird die Luftmasse m aufgrund des im Druck-/Wärmespeicher P vorhandenen Enthalpie-Gefälles oder Druck-/Wärmegefälles

H = U + p · V = m · C _pm · T _2(absol.) + p₂ · V₂ (für m kg Luft)

auf die Strahlgeschwindigkeit

gebracht, wobei nach Gleichung 308.3, Literatur (2), für Δ h=H/m zu setzen ist. Mit der erhaltenen Geschwindigkeit erhält man die kinetische Strahl-Energie zu

Um die Strahl-Energie technisch nutzen zu können, wird der Luftstrahl der Turbine T zugeführt und in Rotationsenergie umgesetzt. Die über die Turbine gewonnene Rotationsenergie wird in Höhe der benötigten Kompressorarbeit über die Kupplung K₂ rückgeführt (=innere Umlaufenergie), während der überschüssige, aus der Luftwärme stammende Wärme- bzw. Energieanteil U=m · C _pm · T _2(absol.) - abzüglich der Verluste - über die Kupplung K₃ als Nutzarbeit W _ab nach außen abgeführt wird.

Wie ein Berechnungsbeispiel zeigt, kann man z. B. aus etwa 200 Liter pro Sekunde angesaugter Luft bei 0,9 bar und 20°C damit eine nutzbare Turbinenleistung von 40 kW (=54,4 PS) gewinnen und zum Antrieb eines Fahrzeuges, z. B. eines PKW′ verwenden. Ebenso könnte die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine für größere stationäre Kraftanlagen, z. B. für Kraftwerke, Verwendung finden, wobei für größere Leistungen entsprechend größere Luftmengen pro Zeiteinheit umgesetzt werden müssen. Aus z. B. 200 m³ pro Sekunde angesaugter Luft würde man das 1000fache der vorigen PKW-Antriebsleistung, also etwa 40 000 kW erhalten und zur Stromerzeugung "umweltfreundlich" bereitstellen können.

Die bei Umgebungstemperatur von 20°C und 0,9 bar angesaugte Luft verläßt die Wärmekraftmaschine, gemäß dem Berechnungsbeispiel, bei -82°C, also bei hohem Wärmeverlust (Enthalpie-Verlust), der nunmehr in Form technischer Arbeit an der Turbinenwelle vorliegt. Gemäß dem Energieerhaltungssatz geht die abgegebene Arbeit nicht verloren, sondern wandelt sich wieder restlos in Wärme zurück und stellt den ursprünglichen Zustand, in diesem Falle "von selbst" wieder her, z. B. über die Walkarbeit eines Autoreifens oder über die elektrische Arbeit einer Glühbirne.

Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine arbeitet mit einem gegenüber der Atmosphäre offen betriebenen Kreisprozeß. Dabei setzt sie einen relativ hohen, in der Luft bei Umgebungsdruck- und Temperatur gespeicherten Wärmeanteil unmittelbar in technische Arbeit um. Die vorliegende Wärmekraftmaschine erschließt somit eine neue, unmittelbar sich erneuernde (direkt regenerative) Energiequelle. Sie ist allen bisher bekannten regenerativen, fossilen und nuklearen Energiequellen überlegen, da sie alle wesentlichen Grundforderungen gleichzeitig erfüllen kann:

Sie ist eine

• - absolut umweltfreundliche
• - sich nie erschöpfende
• - überall leicht zugängliche
• - zu jeder Zeit verfügbare
• - bei relativ hoher Energiedichte nutzbare
• - ökonomisch betreibbare
• - ökologisch verträgliche und

somit für alle sozialen Bevölkerungsschichten akzeptable Energiequelle. Sie hilft Hunger und Armut aus der Welt zu schaffen und das Überleben der gesamten Menschheit zu sichern.

In Betracht gezogene Fachliteratur:

(1) Fritz Dietzel
Technische Wärmelehre: Grundlagen für Maschinenbau-Ingenieure
Würzburg: Vogel-Verlag 1976
(Kamprath-Reihe kurz und bündig: Technik)

(2) F. W. Winter
Technische Wärmelehre, Grundlagen und ausgewählte Anwendungen für Studium und Praxis
9. überarbeitete Auflage
Verlag W. Girardet, Essen 1975

(3) "HÜTTE" des Ingenieurs Taschenbuch, Herausgegeben vom Akademischen Verein HÜTTE, EV., IN BERLIN
27. neubearbeitete Auflage, II. Band
Verlag von Wilhelm Ernst & Sohn, Berlin 1949

(4) Frauenfelder/Huber
Einführung in die Physik
I. Band, Mechanik, Hydromechanik, Thermodynamik
3. verbesserte Auflage
Ernst REINHARDT-Verlag München-Basel 1968

Claims (4)

1. Wärmekraftmaschine zur Gewinnung technischer Arbeit aus atmosphärischer Luftwärme, insbesondere zur Stromerzeugung in großen stationären (ortsfesten) Kraftanlagen (Kraftwerken) oder als Kraftantrieb für Fahrzeuge aller Art (Land-, Wasser- und Luftfahrzeuge) sowie zur Kälteerzeugung (bei gleichzeitiger Abgabe technischer Arbeit), insbesondere für größere Kühlanlagen, z. B. für Kühlhäuser, dadurch gekennzeichnet, daß normale atmosphärische Luft mittels eines Kompressors verdichtet (Abb. 1 bis 2.2), über eine LAVAL-Düse bei hoher Geschwindigkeit bis auf den statischen Druck Null Bar entspannt, die erhaltene kinetische Energie über eine Turbine in technisch nutzbare Rotationsenergie umgesetzt und einerseits in Höhe der aufgewendeten Verdichtungsarbeit dem Kompressor wieder zugeführt (innere Umlaufenergie) und andererseits der restliche, aus der Luftwärme stammende kinetische Energieanteil als Nutzarbeit an der Turbinenwelle abgeführt wird.

2. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise zur Verdichtung ein ein- oder mehrstufiger Turbokompressor, zur Entspannung eine oder mehrere LAVAL-Düsen und zur Umsetzung der Strahlenergie in technisch nutzbare Arbeit eine ein- oder mehrstufige Gleichdruckturbine (Curtis-Turbine) Verwendung finden (Abb. 2, 2.1, 2.2).

3. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Komprimierung der Luft abzuführende Verdichtungswärme, insbes. in kalten Jahreszeiten, zur Erhöhung der Temperatur (bzw. Enthalpie) der angesaugten Luft und/oder für Heizzwecke (Raumheizung) und die am Ausgang der Turbine abgehende Kaltluft für Kühlzwecke (Kühlhaus usw.) verwendet ist (Abb. 1.1 und 1.2).

4. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Erhöhung der Energiedichte die Wärmekraftmaschine bei künstlich erhöhtem Atmosphärendruck, z. B. durch Einbau in einen mit Stickstoffgas gefüllten Druckbehälter, betrieben ist und die Wärme über einen Wärmetauscher von außen zugeführt wird.