DE3841640A1

DE3841640A1 - Verfahren zur gewinnung von waermeenergie aus umweltfluida

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Publication number: DE3841640A1
Application number: DE19883841640
Authority: DE
Inventors: Yan Po Chang
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-12-14
Filing date: 1988-12-10
Publication date: 1989-07-13
Also published as: CN1040082A; JPH025766A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Energieumwandlung im allgemeinen und im besonderen auf die Nutzung der Wärmeenergie von Atmosphäre, Ozeanen, einem großen See oder einem großen Fluß zur Stromerzeugung. Abwässer aus der Industrie und aus Städten sowie andere Fluida, deren Wärmeenergie gemeinhin als von geringer Qualität eingestuft wird, können ebenfalls genutzt werden. Die Temperatur der aus diesen Kraftwerken abgegebenen Fluida ist sehr niedrig und kann darum zur Entsalzung von Meereswasser und für andere Kühl- oder Gefrierzwecke, wie das Kühlen von Supraleitern, Umgebungsluft usw. verwendet werden.

Es ist bekannt, daß der Wirkungsgrad bei der Wärmeenergieumwandlung um so größer ist, je höher die Quell- oder Ausgangstemperatur und je niedriger die Temperatur der Senke ist. Die Hochtemperaturentwicklung ist so weit vorangeschritten, wie es Materialien zulassen, während die niedrigste Temperatur von der Umgebungstemperatur des in der Natur vorhandenen Wassers und der Atmosphäre begrenzt wurde. Daraus wurde geschlossen, daß, wenn nicht andere Wärmequellen gefunden werden, die vorhandene Energie begrenzt ist, da fossile und nukleare Spaltprodukt-Brennstoffe knapp werden. Die Menge der auf die Erde auftreffenden Sonnenenergie ist fast unbegrenzt, jedoch diffus. Die mit Hilfe von Kollektoren, Reflektoren und Absorbern daraus gewonnene Energie ist nicht nur teuer, sondern fällt auch ungleichmäßig an. Die Atmosphäre, die Ozeane, ein großer See und ein großer Fluß sind natürliche Absorber der Sonnenenergie, jedoch ist die Verwertung der Wärmeenergie der Ozeane nicht über Kraftwerke nach dem Claude-Typ hinaus entwickelt worden (Mechanical Engineering, Band 52, 1430), bei dem der Temperaturgradient im tiefen Ozean mit einer Wirksamkeit von nur wenigen Prozenten genutzt wird. Verfahren zur Nutzung der Wärmeenergie von Umweltfluida mit Wirkungsgraden von etwa 10% sind erst vor kurzem vom Erfinder dieser Erfindung vorgeschlagen worden (US-Patente Nr. 44 51 246 und 45 16 402).

Eine weitere Steigerung der Effizienz erfordert eine Reihe neuer Konzepte auf dem Gebiet der Thermodynamik, deshalb soll hier kurz auf das zweite Gesetz eingegangen werden.

1. Ein Wärmereservoir ist ein Begriff, der einen großen Körper kennzeichnet, der unabhängig von der ihm zugeführten oder von ihm abgezogenen Wärme eine konstante Temperatur behält. Ein solches Reservoir ist ein geschlossenes System, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, wo W die von einer Kraftmaschine geleistete Arbeit bezeichnet und der Temperaturunterschied zwischen den beiden Wärmereservoirs für die Leistung der Kraftmaschine eine große Rolle spielt.
2. Das zweite Gesetz ist das Gesetz der Entropie, das besagt, daß Entropie in einem isolierten System nicht fortlaufend abnehmen kann.
3. Kelvin und Planck stellten fest, daß es nicht möglich sei, eine Vorrichtung so zu konstruieren, daß sie zyklisch arbeitet und nützliche Arbeit ohne andere Wirkungen verrichtet, indem sie Wärme aus einem einzigen Reservoir entnimmt. Es gibt viele Versionen über die Aussage des zweiten Gesetzes, jedoch gelten alle für ein geschlossenes System, wie es in Fig. 1 dargestellt ist und halten sich an den unter (2) gefaßten allgemeinen Rahmen.
4. Die von einem Zyklus oder Kreislauf geleistete Arbeit ist entsprechend dem Carnot-Kreislauf begrenzt, die von einem nichtzyklischen Prozeß geleistete Arbeit jedoch nicht.
5. Zur Illustration des Begriffes Wärmereservoir wird häufig auf die Atmosphäre oder einen Ozean verwiesen, und gemäß dem zweiten Gesetz wurde geschlossen, daß keine Kraftmaschine gebaut werden könne, die bei Ausnutzung von Atmosphäre oder Ozean als einziger Wärmequelle nützliche Arbeit leistet. Die thermische Energie von Umweltfluida in homogenem Zustand ist bisher als im Totzustand angesehen worden.

Es wird daher darauf hingewiesen, daß eine Wärmequelle oder eine Wärmesenke entweder aus einem geschlossenen oder einem offenen System bestehen kann, während das begrifflich definierte Wärmereservoir, auf dem das zweite Gesetz basiert (3), ein geschlossenes System ist. Die Atmosphäre oder ein Ozean können als ein offenes Wärmereservoir genutzt werden. Ein offenes Wärmereservoir bietet mehr Möglichkeiten als ein geschlossenes Reservoir. So ist z. B. eine Kraftmaschine, die auf offenen Zyklen basiert, ein System, das aus einem offenen Wärmereservoir Wärme entnimmt und Masse, Wärme und Entropie an die Umgebung jedweder Temperatur abgibt. In diesem Fall ist die Umgebung nur eine Senke, jedoch nicht das Reservoir mit niedriger Temperatur, das dem in Fig. 1 dargestellten Konzept der klassischen Thermodynamik entspricht.

Alle Versionen der Aussage (3) des zweiten Gesetzes basieren auf einem geschlossenen System, das von einer Umgebung eingeschlossen ist und ein isoliertes System unendlicher Ausdehnung ergibt. Verhält sich das System ausschließlich zyklisch und tauscht mit der Umgebung als Teil eines einzigen Reservoirs Wärme aus, dann ergibt sich

dW = dQ,

wobei W und Q die von dem geschlossenen System geleistete Arbeit bzw. die diesem zugeführte Wärme darstellen. Ist dW < 0, dann ist dQ < 0 und die Umgebung kühlt sich fortlaufend ab. Die Entropie in der Umgebung (ein isoliertes System) nimmt also ständig ab, was Aussage (2) widerspricht. Ist jedoch das System offen und laufen sowohl zyklische als auch nichtzyklische Vorgänge ab, dann ergibt sich

dQ = dQ-DE, (2.1)

wobei dE die Änderung der Gesamtenergie des offenen Systems darstellt. Für diesen Fall kann die Möglichkeit, daß dW < 0, dQ < 0 und dS < 0, wobei S die Entropie bezeichnet, nicht ausgeschlossen werden. Wenn der nichtzyklische Prozeß Arbeit leisten kann und der Kreislaufprozeß reversibel ist, dann kann das System mehr Arbeit leisten als der Carnot-Kreislauf bei einem Einsatz derselben beiden Wärmereservoirs.

Eine Substanz ist thermal nur dann im Totzustand, wenn ihre Temperatur am absoluten Nullpunkt ist. Soll jedoch die Wärmesenke in fließfähigem Zustand sein, dann kann ihr Tripelpunkt als Totzustand angesehen werden.

Es ist ein Verfahren erfunden worden, um die Wärmeenergie von Umweltfluida mit hohem Wirkungsgrad für die Stromerzeugung und zur Kühlung zu nutzen. Es handelt sich um drei Systeme:

Ozeanische Wärmeenergieumwandlung (OTEC), atmosphärische Wärmeenergieumwandlung (ATEC) und atmosphärisch-ozeanische Wärmeenergieumwandlung (A-OTEC). Zu jedem System kann eine in geschlossenem Zyklus betriebene Antriebsvorrichtung, können eine erste und eine zweite Wärmetauschereinheit und ein weiteres Kühlsystem gehören. Das Arbeitsfluid für die Antriebsvorrichtung kann unter Hochdruck stehendes Gas oder Dampf sein. Das Quellfluid wird durch eine erste Wärmetauschereinheit geleitet und gibt dabei Wärme an das Arbeitsfluid der Antriebsvorrichtung ab; das Quellfluid kühlt dabei ab. Das abgekühlte Quellfluid wird durch Expansion weiter abgekühlt, indem es durch ein weiteres Kühlsystem, entweder eine Turbine oder ein Expansionsventil oder durch beides geleitet wird. Dieses erneut abgekühlte Quellfluid wird dann dazu verwendet, das expandierte Arbeitsfluid der Antriebsvorrichtung in einer zweiten Wärmetauschereinheit zu kühlen.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen. Es zeigt

Fig. 1 schematisch dargestellte Wärmereservoirs,

Fig. 2 das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Flußdiagramms eines OTEC-Systems,

Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung der Strahlpumpe aus Fig. 3,

Fig. 5 illustriert das Entfernen von Eis beim Drosselventil,

Fig. 6 stellt die Temperatur/Entropie-Diagramme des Rankine-Kreislaufs und den Fließpfad des Quellfluids dar,

Fig. 7 eine schematische Darstellung der Flußdiagramme eines ATEC-Systems,

Fig. 8 die Temperatur/Entropie-Diagramme eines Carnot-Kreislaufs und den Fließpfad des Quellfluids,

Fig. 9 das thermische Konzept isothermischer Wärmetauscher,

Fig. 10 einen modifizierten Carnot-Kreislauf und den Fließpfad eines Quellfluids,

Fig. 11 ein Flußdiagramm eines ATEC-Systems, das hauptsächlich zum Erwärmen und zum Kühlen vorgesehen ist,

Fig. 12 das Temperatur/Entropie-Diagramm des Systems nach Fig. 11,

Fig. 13 einen modifizierten Rankine-Kreislauf und den Fließpfad des Quellfluids,

Fig. 14 ein Flußdiagramm eines A-OTEC-Systems und

Fig. 15 die Wirbelkammer der Fig. 13.

Im nachfolgenden wird anhand von Ausführungsbeispielen die Erfindung näher erläutert.

1. Basismethode

In Fig. 2 ist in schematischer Darstellung das Flußdiagramm eines Energieumwandlungssystems im Dauerbetriebszustand dargestellt, bei dem die Wärmeenergie eines Umweltfluids zum Erzeugen von Strom und zum Kühlen genutzt wird. Zur Vereinfachung wird angenommen, daß dieses Fluid nicht aus mehreren Bestandteilen besteht, es wird als Quellfluid bezeichnet. Ist das Quellfluid ein Gas, so wird das entsprechende System ATEC genannt, wobei ATEC für "Atmosphärische Thermalenergieumwandlung" steht. Handelt es sich bei dem Quellfluid um eine Flüssigkeit, wird das System als OTEC bezeichnet, was bedeutet: "Ozeanische Thermalenergieumwandlung". Werden sowohl Gas als auch Flüssigkeit gleichzeitig als Wärmequellen genutzt, so wird das entsprechende System A-OTEC genannt, wobei "A-O" für "Atmosphäre- Ozean" steht.

In der Fig. 2 stellt R ein Wärmereservoir, G einen Auflader (Kompressor), M eine im geschlossenen Zyklus arbeitende Antriebsvorrichtung, N ein weiteres Kühlsystem sowie AB und CD erste bzw. zweite Wärmetauschereinheiten dar. Das zusätzliche Kühlsystem kann eine Turbine enthalten, für die das Quellfluid als Arbeitsfluid dient, oder eine einfache Expansionsvorrichtung oder beides. p und P bezeichnen den statischen und den Gesamtdruck des Quellfluids. Indices a, A, B und C, D identifizieren Zustände des Quellfluids bei den jeweiligen Umgebungsbedingungen bzw. den Orten A, B, C und D. Die folgenden Bedingungen werden vorausgesetzt, damit das Quellfluid durch das System fließt:

p _a < p _A , p _C < p _B , p _C < p _a (1)

Während das Quellfluid durch den ersten Wärmetauscher fließt, gibt es an das Arbeitsfluid der Antriebsvorrichtung M Wärme ab und kühlt sich dabei ab. Das so abgekühlte Quellfluid kühlt sich durch Expansion weiter ab, während es durch ein weiteres Kühlsystem N geleitet wird. Das so gekühlte Quellfluid wird dann dazu verwendet, das expandierte Arbeitsfluid in einer zweiten Wärmetauschereinheit zu kühlen. Das Quellfluid wird, wenn es die zweite Wärmetauschereinheit verläßt, in eine Entsalzungsanlage oder eine andere Kühlmöglichkeit (nicht gezeigt) geleitet. Wird das ATEC-System nur zur Stromerzeugung vorgesehen und ist P _D <p _a, so kann eine Wirbelpumpe eingesetzt werden, um P _D auf P _L<p _a zu bringen, indem die Wärmeenergie der reichlich zur Verfügung stehenden Umgebungsluft genutzt wird. Das Prinzip der Wirbelpumpe ist dem in Fig. 15 dargestellten ähnlich, wobei "von 16" ersetzt wird durch "vom Wärmetauscher 14"; "von 12" durch "aus der Umgebungsluft" und "nach 14 und 14′" durch "abzugeben an R bei L". Da die einströmende Luft gekühlt und gewirbelt wird, kann P _L größer als oder gleich p _a sein. Der Ort L muß vom Ort K, wo das Quellfluid vom Reservoir R abfließt, weit entfernt sein, damit der thermodynamische Zustand des Quellfluids am Ort K nicht gestört wird.

Um den Betrieb des Energiesystems nach Fig. 2 in Gang zu bringen und um das Freisetzen von Wärmeenergie aus dem Umweltfluid zu initiieren, wird ein von einem (nicht in der Figur dargestellten) Startersystem geliefertes Kühlmittel in die zweite Wärmetauschereinheit geleitet, um das Arbeitsfluid der Antriebsvorrichtung für eine kurze Zeit zu kühlen. Das Kühlmittel kann aus einem Flüssiggas bestehen, das während einer Niedriglastzeit (bei stationärem Kraftwerk im allgemeinen während der Nacht) des Energiesystems hergestellt wird. Das Startersystem kann aus einem konventionellen Gasverflüssigungssystem bestehen.

Es wird besonders darauf hingewiesen, daß die Antriebsvorrichtung M und das zusätzliche Kühlsystem N zum Betrieb zwischen zwei Wärmereservoirs vorgesehen sind; das eine ist das natürlich vorhandene Quellfluid und das andere das zum zweiten Mal abgekühlte Quellfluid, das ursprünglich vom Startersystem erzeugt und in der Folge vom Energiesystem erhalten wird. Dieser Vorgang gleicht der Bildung eines Wirbelsturmes, der sich aus einem kleinen Wirbel über dem Ozean bildet, und verdeutlicht damit, daß eine stagnierende Atmosphäre, die im allgemeinen als thermisch im Totzustand angesehen wird, zu einer außerordentlich großen Energiequelle werden kann.

Aus dem ersten Gesetz ergibt sich die von der Antriebsvorrichtung (einem zyklischen System) geleistete Arbeit pro Einheitsmengenfluß des Quellfluids:

w₁ = q _AB - q _DC (2)

wobei q _AB und q _DC die der Antriebsvorrichtung zugeführte bzw. von ihr abgegebene Wärme pro Einheitsmengenfluß des Quellfluids darstellen. Bei einem ATEC-System kann das weitere Kühlsystem eine Turbine enthalten. Die von diesem nichtzyklisch operierenden System geleistete Arbeit und die vom Auflader G zu leistende Arbeit ist

w₂ = h _B - h _C (3)

bzw.

W₃ = h _a - h _A (4)

wobei h die spezifische Enthalpie des Quellfluids ist. Eine Zusammenfassung der Gleichungen (2) bis (4) ergibt die vom ATEC-System nach Fig. 2 geleistete Arbeit:

w = q _AB - q_DC + (h _B - h_C) - (h _A - h_a) (5)

Daraus geht klar hervor, daß die vom ATEC-System geleistete Arbeit größer sein kann als die allein vom Kreislaufsystem geleistete Arbeit, wenn (h _B-h_C) < (h _A-h_a), worauf bei dieser Erfindung besonderes Augenmerk gelegt werden wird. Da alle stattfindenden Prozesse wie Wärmeübertragung und Fluidfluß im System generell irreversibel sind, ergibt sich

S _D - S_a 0

Das Vermischen des Quellfluids im Zustand L mit dem Umgebungsfluid erzeugt eine zusätzliche Entropie. Der Wirkungsgrad kann definiert werden

In einem OTEC-System kann das zweite vorgesehene Kühlsystem eine einfache Expansionsvorrichtung anstelle einer Turbine sein, darum entfällt (h _B-h_C) in den oben angegebenen Gleichungen. Bei einem A-OTEC-System ist es günstiger, soweit wie möglich Wasser als Wärmequelle und die Atmosphäre als Wärmesenke zu verwenden. Dies wird später noch diskutiert.

2. OTEC-Systeme

In Fig. 3 ist schematisch ein Flußdiagramm für ein OTEC-System dargestellt, das Wärmeenergie nur aus Meereswasser extrahiert und in erster Linie zur Süßwassererzeugung eingesetzt wird. Die Antriebsvorrichtung enthält eine Dampfturbine 13 und eine Kondensatpumpe 15, die entsprechend dem Rankine-Kreislauf arbeiten. Die Pumpe 60 pumpt Meerwasser durch einen Wärmetauscher 11, dabei ist die Fließrate so groß, daß im Wärmetauscher 11 nur eine geringe Temperaturänderung stattfindet. Ein Teil des aus dem Wärmetauscher 11 austretenden Meerwassers wird in die Umgebung abgelassen, während der übrige Teil in den Wärmetauscher 12 fließt und dort an das Arbeitsfluid Wärme bei im wesentlichen konstantem Druck abgibt, wodurch es bis auf den Gefrierpunkt abkühlt. Das gekühlte Meerwasser wird in eine Wasseranlage 92 geleitet, wo es durch Expansion bis auf etwa 1°C oder 2°C unter dem Tripelpunkt unterkühlt wird; Eiskristalle separieren sich von der Salzsole und ergeben Süßwasser.

Das erzeugte Süßwasser wird in zwei Ströme geteilt:
Der Hauptstrom fließt in ein Reservoir 93, während ein geringerer Strom durch ein Drosselventil 83 fließt und im Wärmetauscher 14 verdunstet und damit das Arbeitsfluid kühlt. Der Wasserdampf wird mittels einer Strahlpumpe 85, die schematisch in Fig. 4 dargestellt ist, in den Hauptstrom induziert. Um in der Strahlpumpe eine Eisbildung zu vermeiden, kann die innere Düse mit Hilfe von Raumtemperatur aufweisendem warmem Süßwasser gewärmt werden, wie dies in Fig. 4 angedeutet ist. Eine Eisbildung auf der nassen Oberfläche des Drosselventils 83 kann verhindert werden, indem diese Oberfläche durch viele winzige Luftstrahlen geschützt wird, Luftstrahlen, die von der Salzsole über einen Wärmetauscher 84 vorgekühlt und von dem Drosselventil 83 induziert werden, wie dies schematisch in Fig. 5 dargestellt ist.

In thermodynamischer Hinsicht gleicht das in Fig. 3 dargestellte System der 100-kW-OC-OTEC-Pilotanlage in der Republik Nauru (Bericht der Tokyo Electric Co., Tokyo, Japan, 1982), die Tiefseewasser als Wärmesenke verwendet. Wird eine Temperaturdifferenz von 5,2°C für die Wärmeübertragung angenommen, so findet der Kreislauf der Antriebsvorrichtung bei einem Temperaturbereich um 30°C statt, während der des 100-kW-Nauru-Kraftwerkes in einem Temperaturbereich von 13°C arbeitet.

Das in Fig. 3 dargestellte System kann darum mehr nützliche Arbeit leisten als die Nauru-Anlage.

Als ein Beispiel soll das OTEC-System nach Fig. 3 mit Freon 12 als Arbeitsfluid und einer Temperaturdifferenz von 5,2°C für die Wärmeübertragung zwischen zwei Fluida angenommen werden, was bei der Planung für die 100-kW-OTEC-Pilotanlage von Nauru zugrundegelegt wurde. Die Temperatur/Entropie-Diagramme des Freon-Zyklus 12345 und der Fließpfad des Quellfluids ABCDE sind schematisch in Fig. 6 dargestellt. In den folgenden Abschnitten werden folgende Bezeichnungen und Einheiten verwendet:

T = Temperatur, °C, °K
v = spezifisches Volumen, m³/kg
s = Entropie, kJ/kg-K
p = Druck kPa
h = spezifische Enthalpie, kJ/kg

Indices 1, 2, 3, 4, 5 und A, B, C, D, E bei den oben angegebenen Eigenschaften beziehen sich auf Freon bzw. Meerwasser.

Mit den vorgeschriebenen Daten:

T _A = T_B = 30 T _D = T_E = 0

und bei der Annahme eines Wirkungsgrades der Turbine von 80%, ergibt eine einfache Kalkulation

zugeführte Wärme = h₄-h₂ = 156,54
abgewiesene Wärme = h₅-h₁ = 146,05
geleistete Arbeit = 10,49 kJ/kg
Wirkungsgrad = 6,7%

3. Leistungszyklen

Um zu bestimmen, welche Gasleistungszyklen für das neue Energiesystem geeignet sind, soll ein ATEC-System, das reversibel im Carnot-Kreislauf arbeitet, betrachtet werden. Das Flußdiagramm ist schematisch in Fig. 7 dargestellt. Gleiche Bezugszeichen in den Fig. 3 und 7 stellen die gleichen Bauteile dar, lediglich bezeichnet 15 in Fig. 7 einen Kompressor und 60 einen Auflader für Luft.

Die Temperatur/Entropie-Diagramme für Arbeits- und Quellfluida sind unter 12341 bzw. ABCD in Fig. 8 dargestellt. Da die Wärmeübertragungsprozesse als reversibel angenommen wurden, ergibt sich Δ T = 0, d. h. Zustände 1, 2, 3 und 4 koindizieren mit C, B, A bzw. D. Isobaren sind ebenfalls in Fig. 8 angedeutet. Es wird deutlich, daß alle Ungleichheiten in (1) ausgeglichen sind. Aus der Gleichung (5) ergibt sich die reversible Arbeit

wobei q _i = T_i (S _A-S_B), T _i = T_AT_B und T _e = T_D = T_C. Da (h _B-h_C)_S < (h _A-h_a)_S, ist die reversible Arbeit des ATEC-Systems größer als die von dem geschlossenen System (Carnot-Antrieb) geleistete Arbeit. Je niedriger die Temperatur T _e und also auch h _C, desto größer wird die zusätzliche Arbeit, w₂, jedoch begrenzt durch die Bedingung, daß der Druck im Zustand C zumindest gleich dem der Umgebung sein muß.

Da jetzt die reversible Arbeit bekannt ist, kann der aussagekräftigere Wirkungsgrad eines irreversiblen ATEC-Systems definiert werden als

Dabei sind w und w _rev durch die Gleichung (5) bzw. (7) gegeben.

Die einfachste Weise, um aufzuzeigen, daß isothermisches Erwärmen und Kühlen ohne weiteres durchgeführt werden kann, ist die Betrachtung des eindimensionalen Fließens eines idealen Gases konstanter spezifischer Wärme in einem Kanal mit unterschiedlicher Querschnittsfläche und Wärmezufuhr oder -entnahme. Mit Hilfe konservativer Gleichungen von Masse, Momentum und Energie sowie der Zustandsgleichung eines idealen Gases können die folgenden Ergebnisse erreicht werden (A. H. Shapiro, Compressible Fluid Flow, Ronald Press, 1953):

wobei V die Geschwindigkeit, p den statischen Druck, A die Querschnittsfläche des Kanals, h die spezifische Enthalpie, Q die zugeführte oder abgezogene Wärme, M die örtliche Machzahl, k das spezifische Wärmeverhältnis bezeichnet.

Für den Fluß in einem Wärmetauscher sollte die Geschwindigkeit nirgendwo groß sein, d. h. kM²<1. M² = 1/k wird nachfolgend als kritische Bedingung angenommen. Für isothermisches Fließen gilt dT = 0, so daß Gleichung (11) die Beziehung ergibt

Wird Gleichung (12) in die Gleichungen (9) bis (10) eingesetzt, ergibt sich

Daraus geht hervor, daß alle hinzugefügte oder abgezogene Wärme durch Änderung der kinetischen Energie in Arbeit umgesetzt wird. Für das zu kühlende Fluid, d. h. dQ < 0, und, wenn dA < 0, dann ergibt sich

was für das Quellfluid im Wärmetauscher 12 der Fig. 7 und auch für das Arbeitsfluid im Wärmetauscher 14 gilt. Für das zu erwärmende Fluid, d. h. dQ <0, und, wenn dA<0, dann ist

was für das Arbeitsfluid im Wärmetauscher 12 und auch für das Quellfluid im Wärmetauscher 14 zutrifft. Daraus folgt, daß, läßt man den Kanal in Fließrichtung des Heizfluids divergieren und in Fließrichtung des erwärmten Fluids konvergieren, alle Erwärm- und Kühlprozesse isothermisch durchgeführt werden können. Isobarisches Fließen bei Hinzufügen oder Abziehen von Wärme kann auf ähnliche Weise erreicht werden: Zum Abziehen von Wärme verengt sich die Leitung in Fließrichtung, während der Kanal sich für ein Hinzufügen von Wärme vergrößert.

Berechnungen der oben angegebenen Formeln haben ergeben, daß entweder der Fließpfad oder die hinzugefügte - oder abgezogene - Wärme nicht groß sein können, um die örtliche Machzahl unter den kritischen Wert (1/k)^1/2 zu bringen. Dieser Schwierigkeit ist jedoch zu begegnen, indem der Fließpfad in eine begrenzte Zahl von Stufen aufgeteilt wird, wie dies schematisch in Fig. 9 für ein Heizgas von A nach B und für ein erwärmtes Gas von 2 nach 3 dargestellt ist. Gesamtdruck, statischer Druck und Geschwindigkeitsverteilungen sind in dieser Figur ebenfalls angedeutet. Aus Fig. 9 ist zu ersehen, daß die Fließgeschwindigkeit auf jeden Wert unterhalb des kritischen Wertes gebracht werden kann. Der Druck am Einlaß ist nicht notwendigerweise groß, und die vom Auflader geforderte Arbeit, w₃ = h _A-h_a, reicht aus.

Nach diesen Darlegungen isothermischen Fließens können prinzipiell vom Carnot- und Rankine-Kreislauf wirkungsgünstigere Kreisläufe entwickelt werden.

Einige sollen hier angegeben werden:

1. Isothermisches Erwärmen und Kühlen und adiabatische Kompression und Expansion.
2. Modifizierter Carnot-Kreislauf wie schematisch in Fig. 10 dargestellt, wo 1-2 und 4-5 adiabatische Kompression und Expansion darstellen; 2-3 und 5-6 isobarisches Erwärmen und Kühlen; 3-4 und 6-1 isothermisches Erwärmen und Kühlen.
3. Modifizierter Rankine-Kreislauf ist schematisch in Fig. 13 dargestellt, wo Erwärmen und Kühlen im Überhitzungsbereich isothermisch stattfinden.

4. ATEC-Systeme

In diesem Abschnitt werden drei ATEC-Systeme betrachtet:
Bei (A) und (B) ist das Quellfluid im gasförmigen Zustand und bei (C) ist es ein in den flüssigen Zustand gekühltes Gas. Zur Vereinfachung der Analyse, jedoch ohne Verzicht auf Allgemeingültigkeit, wird folgendes angenommen:

(a) Das Quellfluid in den Systemen A und B besteht aus einem idealen Gas mit konstanter spezifischer Wärme, während es im System C Stickstoff ist.
(b) Das Arbeitsfluid ist das gleiche wie das Quellfluid, jedoch unter hohem Druck stehend.
(c) Alle Expansions- und Kompressionsprozesse sind isentropisch.
(d) Für Wärmeübertragung wird eine Temperaturdifferenz von 5,5°C angenommen.

Alle Bezeichnungen und Begriffe sind gleich den in vorherigen Absätzen definierten und die Einheiten für thermophysikalische Eigenschaften sind gleich den für das OTEC-System verwendeten.

A. ATEC-System ohne Phasenwechsel

Das Flußdiagramm in Fig. 7 kann verwendet werden, um ein ATEC-System darzustellen, das entsprechend dem in Fig. 10 dargestellten Kreislauf abläuft, nur ist der Wärmetauscher 12 in Fig. 7 in zwei Abschnitte geteilt, um das Quellfluid in einem Abschnitt isothermisch und im anderen Abschnitt isobarisch zu kühlen. Das Temperatur/ Entropie-Diagramm des Fließpfades aABCDEF des Quellfluids ist auch in Fig. 10 dargestellt.

Folgende Daten sind festgelegt:

p _a = 101,3
p _C = p _b = 2,5 p _a = 304
T _D = 90
T _a = 298,2
p _A = 1,2 p _a = 121,6
p _D = 1,2 p _a = 121,6
p _E = p _F = 40

Mit den oben gegebenen Daten ergibt eine einfache Berechnung die vom ATEC-System geleistete Nettoarbeit:

w = 96 kJ/kg

Für 1 MW Ausgangsleistung ergibt sich eine Fließgeschwindigkeit des Quellfluids pro Sekunde von

Der auf der Basis der Wärmeeingabe definierte Wirkungsgrad ABC′ ist

η = 34%

Da P _F<p _a, wird eine in Abschnitt 1 erwähnte Wirbelpumpe für das Basisverfahren benötigt.

B. ATEC-System zur Stromerzeugung, zum Heizen und Kühlen

Als Sonderform des ATEC-Systems werden Wärmetauscher 14 und Antriebszeit weggelassen und das Quellfluid als Arbeitsfluid verwendet, so daß das System ausschließlich nichtzyklisch arbeitet. Der Dauerbetriebszustand wird durch das Flußdiagramm in Fig. 11 illustriert. Das Temperatur/Entropie-Diagramm des Quellfluids ist in Fig. 12 dargestellt, wo isobarische Linien als gestrichelte Linien ebenfalls angegeben sind. Wärme wird an den umgebenden Raum abgegeben, der mit Hilfe des Wärmetauschers 12 erwärmt wird. Kaltes Quellfluid aus der Turbine 16 kann für jeden Kühlprozeß verwendet werden. Da S _a-S_C < S _A-S_B und Quellfluid mit Umgebungsluft gemischt wird, wird fortlaufend Entropie in der Umgebung erzeugt, ein isoliertes System. Da j _B-h_C < h _A-h_a, kann nutzbringende Arbeit geleistet werden.

C. ATEC-System mit Phasenwechsel

Ist sowohl für das Quellfluid als auch für das Arbeitsfluid ein Phasenwechsel möglich, kann der Betrieb des ATEC-Systems nach modifiziertem Rankine-Kreislauf ablaufen, der in Fig. 13 dargestellt ist. Das Flußdiagramm ist das gleiche wie in Fig. 7, jedoch ist das nichtzyklische System möglich. Da das Quellfluid auf Tieftemperatur gekühlt werden kann, wird dieses System ATECC (atmosphere thermal energy conversion cryogenic) genannt.

Als ein Beispiel werden die folgenden Daten angenommen:

T _a = 298,2  p _a = 101,3
h _B = 325,7  T _C = 80
p _D = 101,3  T _D = 77,3
p _A = 1,2 p _A = 121,6
h _C = -115,9
h _D = h _C = -115,9
p _B = ³p _a = 303
X _D (Qualität bei D) = 0,028

Mit den oben angegebenen Daten ergibt eine einfache Berechnung, daß die vom ATECC geleistete Nettoarbeit bzw. der auf der zugeführten Wärme basierende Wirkungsgrad

w = 222,83 kJ/kg, η = 42,5%

Für eine Ausgangsleistung von 1 MW ist die Fließgeschwindigkeit des Quellfluids

m = 4,48 kg/s

5. A-OTEC-Systeme

Das in Absatz 2 besprochene OTEC-System arbeitet in einem so niedrigen Temperaturbereich, daß sein Wirkungsgrad nur bei wenigen Prozent liegen kann. Für das ATEC-System werden sehr große Wärmetauscher benötigt. Je größer der Wärmetauscher, desto höher sind die Kosten. Da die Enthalpie des Wassers pro Volumeneinheit etwa eintausendmal größer ist als die der Luft und der Tripelpunkt der Luft sehr niedrig sein kann, ist es vorteilhaft, so oft wie möglich Wasser als Wärmequelle und Luft als Wärmesenke zu verwenden. Eines von vielen Flußdiagrammen von A-OTEC-Systemen ist in Fig. 14 dargestellt. Gleiche Bezugszeichen in den Fig. 7 und 14 bezeichnen gleiche oder ähnliche Bauteile, jedoch gelten mit einem Strichindex versehene Zahlen für das OTEC-System, während die Zahlen ohne Strichindex für das ATEC-System gelten.

Das aus Luft bestehende Quellfluid, das von dem Auflader 60 mit einer Fließrate bereitgestellt wird, die doppelt so hoch ist wie die für das ATECC-System allein erforderliche Fließgeschwindigkeit, wird gleichmäßig in zwei Ströme geteilt: Strom I passiert den Wärmetauscher und wird auf Flüssigkeits-Sättigungstemperatur abgekühlt, während Strom II in Turbine 16 bis auf die gleiche Temperatur wie Strom I expandiert. Um die Abmessungen der Turbine 16 zu verringern, kann Strom II isothermisch durch natürliche Konvektion eines Umgebungsfluids (Luft oder Wasser) gekühlt werden. Diese beiden Ströme werden dann in einer Wirbelkammer 101 gemischt. In Fig. 15 ist eine vergrößerte Darstellung dieser Wirbelkammer enthalten. Der flüssige Strom I fließt durch eine Düse in die Kammer und wird so zu einem Dampfstrahl, der tangential zur Kammerwand verläuft und einen Spiralwirbel bildet. Der gasförmige Strom II aus der Turbine 16 wird in den Wirbelkern induziert, mischt sich mit Strom I, und es ergibt sich ein Druck, der größer ist als der Umgebungsdruck. Dieses weiter gekühlte luftförmige Quellfluid wird dann in zwei gleiche Teile geteilt: Ein Teil wird verwendet, um das expandierte Arbeitsfluid des ATEC-Systems zu kühlen, und der andere Teil leistet das gleiche für das OTEC-System.

Das luftförmige Quellfluid, das aus den Wärmetauschern 14 und 14′ fließt, kann zur Entsalzung von Meerwasser verwendet werden. Das so erzeugte Süßwasser wird in einem Reservoir 90 angewärmt und wird dann als die Wärmequelle des OTEC-Systems verwendet, wenn kein anderes Süßwasser zur Verfügung steht.

Als ein Beispiel können die für das ATECC-System im vorhergehenden Absatz verwendeten Daten angenommen werden. Wird das OTEC-System ebenfalls im modifizierten Rankine-Kreislauf betrieben, dann ergibt eine einfache Berechnung

w = vom A-OTEC-System geleistete Gesamtarbeit = 680,8 kJ/kg
η = 66%

In diesem Fall beträgt der Anteil der Turbine 16 an der Gesamtarbeit fast ein Drittel. Die Größe der Wärmetauscher 11′ und 12′ braucht nur ein Tausendstel zu betragen. Selbstverständlich kann ein A-OTEC-System auch dadurch aufgebaut werden, daß ein ATEC- und ein OTEC-System integriert werden, die unabhängig voneinander und mit einem Gas- oder Dampfkreislauf arbeiten.

Aus dem oben Gesagten können folgende Schlüsse gezogen werden:

1. Die Aussage des zweiten Gesetzes, daß Entropie in einem isolierten System nicht fortlaufend abnehmen kann, gilt für jedes System.
2. Die Aussage von Kelvin und Planck zum zweiten Gesetz (oder gleichwertige Versionen) gilt auch für geschlossene und offene Systeme, da für jedes der beiden Systeme mehr als ein Reservoir vorhanden sein muß, damit diese Systeme nützliche Arbeit erbringen können, obwohl die Aussage sich offenbar auf ein geschlossenes System stützte.
3. Die Wärmeenergie von Umweltfluida ist bei der Umgebungstemperatur, beispielsweise 25°C, nicht im "Totzustand". Soll in einem Energiesystem die Wärmesenke in flüssigem Zustand sein, dann ist der Tripelpunkt des Senkfluids als Totzustand anzusehen.
4. Der Wirkungsgrad von ATEC- und A-OTEC-Systemen kann so hoch wie der Wirkungsgrad konventioneller, mit Gasturbinen arbeitender Kraftwerke sein, obgleich die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und -senke kleiner sein kann.
5. Ein ATEC- oder A-OTEC-System kann in der Nähe eines bestehenden Kraftwerkes eingerichtet werden, um die Leistung des bestehenden Kraftwerkes wesentlich zu erhöhen und zugleich die chemische Verunreinigung der Umgebung zu reduzieren.
6. Abwässer von Städten und Industrieanlagen können ebenfalls als Wärmequelle oder zusätzliche Wärmequelle verwendet werden; mit Hilfe des Gefrierprozesses können diese Abwässer zu brauchbarem Wasser gereinigt werden. Der Rest kann dann wesentlich kostengünstiger behandelt werden als es die bisher praktizierte Abwasserbehandlung möglich macht.
7. Die mit einem A-OTEC-System erzeugte Elektrizität kann weniger kosten als die in jedem herkömmlichen Kraftwerk produzierte. Diese Kosten können durch die Einbeziehung von Nebenprodukten, die bei der Kühlung entstehen, weiter gesenkt werden. Zu diesen Nebenprodukten gehören z. B. Entsalzung von Meerwasser, Kühlen von Supraleitern, Verflüssigung von Gas.
8. ATEC- und OTEC-Systeme können auf Transportmitteln angeordnet sein, z. B. auf Landfahrzeugen, Seefahrzeugen oder sogar kommerziellen Flugzeugen, wenn eine begrenzte Menge an Brennstoff als zusätzliche Wärmequelle bereitgestellt wird.
9. Diese Energiesysteme verursachen keine Umweltverschmutzung. Der einzige unangenehme Effekt für die Umwelt ist die ständige Herstellung kalter Fluida. Eine weit verbreitete Anwendung dieser Systeme in Kraftwerken wird darum das Klima beeinflussen. Trotz der Langzeiteffekte auf das Klima muß bedacht werden, daß eine Anwendung dieser Energiesysteme in großem Maßstab die Abhängigkeit von fossilen und nuklearen Brennstoffen in der kürzesten Zeit und zu den geringsten Kosten aufhebt.

Claims

1. Verfahren zur Nutzbarmachung von Umweltfluida als Wärmequelle für Energieumwandlungssysteme, von denen jedes folgendes enthält:
eine erste Wärmetauschereinheit, die einer Wärmequelle wirksam zugeordnet ist; eine im geschlossenen Zyklus betriebene Antriebsvorrichtung, die der ersten Wärmetauschereinheit wirksam zugeordnet ist; ein weiteres Kühlsystem, das der ersten Wärmetauschereinheit wirksam zugeordnet ist; eine zweite Wärmetauschereinheit, die der Antriebsvorrichtung und dem weiteren Kühlsystem wirksam zugeordnet ist, und ein Zusatzsystem zum Starten des Betriebes des Energieumwandlungssystems, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Nutzung der genannten Wärmequelle als offene Reservoirs,
b) Einlaß eines Quellfluids in die erste Wärmetauschereinheit,
c) Zuführen eines vom Zusatzsystem bereitgestellten Kühlmittels an die zweite Wärmetauschereinheit zur Initiierung der Freisetzung von Wärmeenergie aus dem Quellfluid und zum Starten des Betriebes des Energieumwandlungssystems,
d) Abtrennen des Zusatzsystems für den Dauerbetriebszustand,
e) Fortsetzen des Durchleitens von Quellfluid durch die erste Wärmetauschereinheit, in der das Arbeitsfluid der Antriebsvorrichtung erwärmt und das Quellfluid dadurch gekühlt wird,
f) Expandieren des erwärmten Arbeitsfluids in der Antriebsvorrichtung zur Leistung von Arbeit,
g) Einleiten des aus der ersten Wärmetauschereinheit austretenden Quellfluids in ein weiteres Kühlsystem zur weiteren Kühlung,
h) Nutzung des weiter gekühlten Quellfluids zum Kühlen des expandierten Arbeitsfluids der Antriebsvorrichtung mit Hilfe einer zweiten Wärmetauschereinheit,
i) Nutzung des aus dem Energieumwandlungssystem austretenden Quellfluids für weitere Kühl- und Gefrierprozesse und
j) Integration von mehr als einem solcher Energieumwandlungssysteme zu einer Einheit zum Vergrößern der Abgabeleistung und Verringerung des Kapitalbedarfs.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die weiteren Gefrierprozesse einen Gefrierprozeß zur Reinigung von Flüssigkeiten umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Flüssigkeitsreinigungsprozeß die Entsalzung von Meerwasser umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die weiteren Kühlprozesse die Verflüssigung von Gasen umfassen.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die weiteren Kühlprozesse das Kühlen von Supraleitern umfassen.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Quellfluid aus Meerwasser besteht (OTEC); die Antriebsvorrichtung eine Dampfturbine und eine Kondensatpumpe enthält, die auf der Basis des Rankine-Kreislaufes betrieben werden; die erste Wärmetauschereinheit mindestens zwei Wärmetauscher enthält, einen für isothermischen und einen für isobarischen Wärmeaustausch zwischen dem Quell- und dem Arbeitsfluid; die zweite Wärmetauschereinheit mindestens einen Wärmetauscher für isothermischen Wärmeaustausch zwischen dem weiter gekühlten Quellfluid und dem expandierten Arbeitsfluid aufweist und das System zum weiteren Kühlen ein Drosselventil und eine Strahlpumpe enthält.

7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Quellfluid aus der Atmosphäre kommt (ATEC); die Antriebsvorrichtung eine Gasturbine und einen Kompressor enthält, die in einem geschlossenen Kreislauf betrieben werden; die erste Wärmetauschereinheit ebenfalls mindestens einen Wärmetauscher aufweist und die zweite Wärmetauschereinheit auch mindestens einen Wärmetauscher enthält; das Kühlsystem zum weiteren Kühlen mindestens eine Turbine aufweist, in der das gekühlte Quellfluid expandiert, dadurch Arbeit verrichtet und am Ausgang der Turbine weiter gekühlt wird, wobei das weiter gekühlte Quellfluid die Abwärme der Antriebsvorrichtung entfernt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der geschlossene Kreislauf adiabatische Kompression und Expansion und isothermische oder fast isothermische Erwärm- und Kühlprozesse enthält.

9. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der geschlossene Kreislauf adiabatische Kompression und Expansion, isothermische und isobarische Erwärm- sowie isothermische und isobarische Kühlprozesse umfaßt.

10. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der geschlossene Kreislauf adiabatische Kompression und Expansion, Druckverringerungserwärmung und Druckerhöhungskühlung in Fließrichtung des Arbeitsfluids enthält.

11. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Antriebsvorrichtung und die zweite Wärmetauschereinheit fortgelassen werden und das ATEC-System nur nichtzyklisch arbeitet.

12. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Quellfluid aus der Atmosphäre kommt und verflüssigt wird (ATECC); die Antriebseinheit eine Dampfturbine und eine Kondensatpumpe enthält, die auf der Basis des Rankine-Kreislaufes betrieben werden; die erste Wärmetauschereinheit mindestens einen Wärmetauscher enthält; die zweite Wärmetauschereinheit mindestens einen Wärmetauscher enthält und das weitere Kühlsystem ein Expansionsventil aufweist.

13. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mehr als ein Umweltfluid simultan als Wärmequelle genutzt wird, wobei Wasser so oft wie möglich als Wärmequelle und die Atmosphäre als Wärmesenke genutzt werden, jede Antriebsvorrichtung in einem Gas- oder Dampfkreislauf betreibbar ist; jede erste Wärmetauschereinheit mehr als einen Wärmetauscher für isothermischen und isobarischen Wärmeaustausch zwischen Quell- und Arbeitsfluida enthält; jede zweite Wärmetauschereinheit auch mindestens einen Wärmetauscher für den gleichen Zweck enthält; das System zur weiteren Kühlung eine Turbine aufweist, für die das Quellfluid Luft als Arbeitsfluid dient, eine Expansionsvorrichtung und eine Wirbelkammer sowohl dem ATEC- und dem OTEC-System dienen.