DE3915618A1

DE3915618A1 - Verfahren zur umwandlung von waermeenergie in mechanische arbeit in einem turbo-energetischen block mit kohlendioxid als arbeitsfluidum

Info

Publication number: DE3915618A1
Application number: DE19893915618
Authority: DE
Inventors: Milomir Bozovic
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-05-13
Filing date: 1989-05-12
Publication date: 1989-11-23

Description

Technisches Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf die Gewinnung mechanischer Energie aus Wärme, bzw. elektrischer Energie in einem turbo-energetischen Block.

Das der Erfindung zugrundeliegende technische Problem

Die Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie erfolgt heute mittels Innenverbrennungsmotoren oder in sogenannten turbo-energetischen Blöcken, demnach mit stationären Einheiten von enormen Massen. Heute werden solche Blöcke im Betrieb für Kräfte von sogar über 1000 MW, mit der Tendenz einer Steigerung der Kräfte verwendet. In diesen Anlagen wird in der Regel als Arbeitsfluidum Wasser, bzw. Wasserdampf verwendet, mit Temperaturen sogar bis zu 600°C und mit Drücken bis zu 300 bar, was vor allem aufgrund der zu berücksichtigenden Festigkeit die Verwendung von kostenaufwendigen Materialien wie Stählen erfordert. Die Abmessungen dieser Anlagen sind oft übermäßig groß, wobei in den Kesseln sogar bis zu 3000 t/h Wasser verdampft wird und wobei die Turbinen eine Länge bis über 50 m erreichen. Obwohl jedoch die Abmessungen der Anlage beträchtlich groß sind, wird lediglich ein geringer Wirkungsgrad (WG) erzielt - d. h. daß der Anteil der gewonnenen Arbeit in bezug zur in die Feuerkammer eingebrachten Wärme nur bis 45% beträgt - und wenn andere mögliche nicht thermodynamische Verluste entzogen sind, bis zu 35% erzielt werden können. Bei Innenverbrennungsmotoren steigt der Wirkungsgrad nicht über 0,30 und nur selten bei großen stationären Motoren bis zu 0,40. Das heißt, daß von der in die Feuerkammer eingebrachten Wärme des Arbeitsfluidums nur ein kleiner Teil in mechanische Arbeit umgewandelt wird (im Durchschnitt (1/3) und der größte Teil (2/3) als Verlust in die Umgebung abgeleitet wird und verloren geht. Sehr selten kann diese Verlustwärme wieder nützlich verwendet werden, z. B. für die Erwärmung von Räumen oder von Industrieanlagen. Da aber die maximale Arbeit der Turbine erst dann, wenn die Kondensationstemperatur niedrig ist (25°), erreichbar ist, ist die Abfallwärme meistenteils nicht verwendbar. Da diese Abwärme jedoch meistenteils ökologisch belastet ist, wird dadurch auch noch die Umwelt gefährdet. Bei Innenverbrennungsmotoren (Otto-, Diesel-, Reaktiv-), bei denen die Antriebsenergie durch direkte Verbrennung bzw. durch direkte Expansion der Verbrennungsprodukte über Kolben oder Düsen gewonnen wird, wird die Verbrennungswärme der Kraftstoffe (Fossilien- oder Nuklear-) in stationären turbo-energetischen Blöcken über das Arbeitsfluidum auf die Turbine übertragen, d. h. in mechanische Drehenergie umgeformt.

Die heutige Praxis und Theorie hat auf diesem Gebiete das technisch erzielbare Maximum erreicht; gemäß der bestehenden thermodynamischen Theorie ist es nicht möglich, mehr Arbeit aus der gewonnenen Verbrennungsenergie zu erzielen; selbstverständlich bestehen bei der Ausführung und Konstruktion der Kraftmaschinen in der Praxis immer noch manche minimale Möglichkeiten für eine Vervollkommnung der Arbeit derselben, im Makrorahmen sind aber schon längst maximal erzielbare Möglichkeiten ausgeschöpft.

Der Anteil der Wärme, die in einem thermodynamischen Prozeß nicht in mechanische Arbeit umwandelbar ist, wird heute Anergie genannt und der Anteil der in Arbeit umwandelbaren Energie heißt Exergie. Die Summe der Exergie und der Anergie stellt die gesamte Wärmemenge im Prozeß dar. Verbunden mit dem festgelegten und definierten II. Hauptsatz der Thermodynamik, gelten bestimmte Entropietheorien der Materialien bzw. der thermodynamischen Prozesse und auf der Basis von diesen werden die thermodynamischen Berechnungen der Exergie und der Anergie durchgeführt (die Anergie soll dabei ein Produkt der Entropieänderung und der Temperatur darstellen).

Im Zusammenhang mit der Entropietheorie sind wir in diesem Bereich zu neuen Erkenntnissen gekommen, weil bei dem Studium des Detonationsphenomens (sh. M. Boovi: Die neuen Zugänge und Beiträge der Stabilitätstheorie der Moleküle und der Theorie der Detonation und der pyrotechnischen Verbrennung, Explosive und Sprengung, Nr. 3-4, Belgrad 1987) der endothermen Systeme, d. h. der Systeme, die bei der Detonation Wärme freisetzen, sich ein eindeutiger Zusammenhang von selbst ergeben hat, daß die Entropie in keinem Falle ein Produkt der s. g. "thermodynamischen Standwahrscheinlichkeit" ist, oder "die Folge der ungewechselten Energie der bestimmten Quantenstände", sondern, daß das einfach die Energie der nicht linearen Bewegung der materiellen Partikel ist, inclusive logisch die Wärme der Phasenumwandlungen und die Exergie nur die lineare oder translatorische Energie der Moleküle ist. Dieser Zusammenhang hat uns angeregt, die thermodynamischen Prozesse anders als es bis jetzt gehandhabt wird auswerten zu können, wobei eindeutig darauf zu schließen ist, daß es möglich ist, viel mehr Wärme in mechanische Arbeit umzuwandeln bzw. den Wirkungsgrad weiter zu erhöhen.

Fig. 1 zeigt das Verfahrensschema eines bekannten turbo-elektrischen Blockes. In dieser bedeuten:

1 - den Dampfkessel,
2 - die Dampfleitung für Frischdampf,
3 - die Dampfleitung des ersten Dampfüberhitzers,
4 - die Dampfleitung des zweiten Dampfüberhitzers,
5 - die Hochdruckturbine,
6 - die Mitteldruckturbine für den erstmals überhitzten Dampf,
7 - die Niederdruckturbine
8 - einen Elektrogenerator,
9 - einen Kondensator
10 - einen Kondensaterwärmer,
11 - einen Kondensaterwärmer,
12 - einen Kondensaterwärmer,
13 - eine Pumpe für Kondensat,
13′ - eine Speisewasserpumpe.

Fig. 2 zeigt das übliche thermodynamische T-S-Diagramm; hierbei ist die nützliche Arbeit durch die Fläche: 1-1′-2-3-4-5 dargestellt worden, wobei die verlorene Wärme durch Q₀ = T₀ (S₁-S₀) dargestellt ist.

Stand der Technik

Die Erfindung bezieht sich auf die Energieumwandlung in mechanische Arbeit, in erster Linie in einem turbo-energetischen Block oder Prozeß. Der Hauptnachteil der heutigen zum Stand der Technik gehörenden Lösungen ist der niedrige Wirkungsgrad. Da die entsprechenden theoretischen Voraussetzungen zur Begründung der Grundlagen des erfindungsgemäßen Vorschlages (die weitere Begründung der neuen Hypothese über Entropie und über die freie Energie der thermodynamischen und thermochemischen Prozesse und der "mechanizistische Beweis" des II. Hauptsatzes der Thermodynamik sh. [die Druckschrift von M. Boovi, die in deutscher Sprache erhältlich ist]) gegeben sind, ist es nicht notwendig, diese hier in der Beschreibung darzulegen.

Die eindeutige Schlußfolgerung ist folgende: Die Entropie ist noch heute ein fehlerhaft definierter Begriff, mit Ausnahme desjenigen Teiles der sich auf die Wärme der Phasenumwandlung bezieht (z. B. das Verdampfen oder die Kondensation. Das Produkt von Entropie und Temperatur in sog. "rückkehrbaren Prozessen" wird als Wärmemenge gegeben und der Unterschied zwischen der eingebrachten und der verlorenen Wärme (T. S.) in einem T-S-Diagramm wird als Arbeit dargestellt (sh. Fig. 2), was jedoch dem physikalischen Wesen des Vorgangs nicht entspricht, so daß andere mögliche Betrachtungsweisen des Arbeitsvorganges verhindert werden.

Den Begriff der Entropie hat Clausius sogar vor mehr als 130 Jahren aufgrund der idealisierten Voraussetzungen des sog. "thermodynamisch idealen Gases", d. h. des Gases, dessen Materialpartikel ohne Abmessungen sind, und das doch eine reale Masse hat, ausgeführt. Ebenfalls auch andere adiabatische Verwandlungen des Standes sind auf der Basis dieser Voraussetzungen ausgeführt. Die realen Substanzen aber müssen anders betrachtet werden, sie haben Moleküle ganz spezifischer Ausführung und Eigenschaften, mit spezifischen intermolekularen Kräften usw., und müssen in diesem Sinne auch spezifisch betrachtet werden, sowie ihre thermodynamischen und chemischen Vorgänge.

Beispielsweise sind die spezifische Wärme oder die Wärmekapazitäten der Gase oder der realen Arbeitsfluide mehrfach höher als bei den idealen Gasen, ihre Temperaturabhängigkeit ist bedeutend usw., es ist deshalb möglich, diese nicht in Betracht zu ziehen.

Das sind also die Hauptgründe, daß diese Vorgänge (das bezieht sich nicht auf die Verbrennungsmotoren) thermodynamisch nicht ausreichend wirksam geworden sind und dasjenige, was mit Wasser bzw. mit dem Wasserdampf als Arbeitsfluidum erreicht worden ist, ist mehr empirisch ermittelt, ohne theoretische Begründung.

Es ist besonders wichtig zu betonen, daß es in der Thermodynamik üblich ist, den Wirkungsgrad als unabhängig von der Art des Arbeitsfluidums (Körper) zu betrachten, d. h. nur in Abhängigkeit von seinen Anfangs- und Endwerten (das Carnotsche Theorem), das nicht richtig ist und das den Ergebnissen von Experimenten widerspricht. Wegen der idealisierten oder besser gesagt der unrichtig aufgestellten Theorie der Entropie, geht aus den bestehenden T-S-Diagrammen eindeutig hervor, daß die nützliche Arbeit in einem thermodynamischen Kreislaufprozeß um so höher sein wird, je höher die Temperatur und gemäß dieser auch der Druck der Verdampfung ist, bzw. je höher sein kritischer Siedepunkt ist, weil die Arbeit durch die Oberfläche (sh. Fig. 2) dargestellt ist. Da die sog. "reversible Wärme" gleich dem Produkt T Δ S ist, ist die Arbeit auch die Funktion der Entropie, was selbst allein ihrer Definition widerspricht, d. h. als Anteil der Wärme, die nicht in Arbeit verwandelt werden kann. So ist z. B. der Logik aus dem T-S-Diagramm folgend, noch 1930 eine Anlage mit binärem Kreis, mit Quecksilber als Arbeitsfluidum im primären Kreis und mit Wasser im sekundären Kreis gebaut worden, mit einer Leistung von mehreren MW. Ebenfalls in der UdSSR ist im letzten Jahr (Scheindlin A. E.: Neue Energetik, Ak. der Wissenschaft der UdSSR, Moskau 1987) ein Versuch der Erhöhung des Wirkungsgrades gemacht worden und zwar so, daß man den kritischen Punkt der Verdampfung des Wassers durch Verdampfen aus sehr konzentrierten NaOH- oder KOH-Lösungen (80%!), sogar bis 480° erhöhte. Es sind aber keine näheren praktischen oder experimentellen Ergebnisse bekannt geworden.

Nach der richtigen Auffassung der Entropie und der Exergie kann darauf geschlossen werden, wie unreell oder gar sinnlos die Ideen waren, und welche Schwierigkeiten zur Realisierung zu beheben waren und was das alles gekostet hat. Und was noch wichtiger ist, in der heutigen umfangreichen thermodynamischen Literatur findet man keine andere Möglichkeit oder keinen anderen Weg zur Erhöhung des Wirkungsgrades bei turbo-energetischen Anlagen mit einer Turbine als Kraftmaschine.

Demgegenüber kann mit der richtigen Auffassung der Entropie darauf geschlossen werden, daß es möglich ist, den Wirkungsgrad zu erhöhen, nur wenn der kritische Siedepunkt des Arbeitsfluidums möglichst näher der Normaltemperatur liegt, da nur in diesem Falle seine Verdampfungsenthalpie minimal ist, d. h. auch die Kondensationswärme minimal ist und im kritischen Punkt diese Kondensationswärme gleich Null ist. Noch heute, wo die einfachste Tatsache nicht klar ist, daß die Kondensationswärme nicht in Arbeit verwandelt werden kann und daß die Kondensation in der Nähe des Siedepunktes die maximale thermodynamische Arbeit bietet.

Die jetzige Theorie der Entropie in der Thermodynamik setzt immer den summaren Wert der Arbeitsfluidalentropie voraus, d. h. die Entropie der Moleküle allein (gemäß neuerer Auffassung sind das die Rotations- und Schwingungsenergien) plus der Verdampfungswärme bzw. der Kondensationswärme des Dampfes bei Verwandlung in den flüssigen Zustand, obwohl das physikalisch zwei ganz verschiedene Phänomene sind. Wie später zu sehen sein wird, ist es also (im Unterschied von Dampfmaschinen) bei einer Turbine möglich, eben die Rotations- und Schwingungsenergie der Moleküle in Arbeit zu verwandeln, logisch immer über die translatorische Energie und der größte Teil der translatorischen Energie wird als Arbeit zur Rückführung des Arbeitsfluidums verwendet. Mit einer nicht so wie jetzt konzipierten Entropietheorie konnte bisher in der Technik kein bedeutender Fortschritt zur Erhöhung des Wirkungsgrades bei Turboprozessen erzielt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Umwandlung von Wärmenergie in mechanische Arbeit in einem turbo-energetischen Block zu schaffen, mit dem es ermöglicht wird, die Nachteile bisher bekannter Verfahren zu vermeiden, den thermodynamischen Wirkungsgrad wesentlich zu erhöhen, die Abmessungen der Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens zu verkleinern, die Arbeitstemperatur des turbo-energetischen Blockes zu senken, die Korrosionsgefahr zu verkleinern und die Herstellungskosten der Vorrichtung zur Durchfürhung des Verfahrens zu senken. Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 und des Anspruches 2 gelöst.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren ergibt sich durch die Verwendung von Kohlendioxid bzw. dessen erhitztem Dampf als Arbeitsfluidum der Vorteil, daß eine Steigerung des thermodynamischen Wirkungsgrades bis über 90% ermöglicht wird, daß dank den physikalisch-chemischen Parametern von Kohlendioxid die Herstellung der Arbeitsblöcke mit wesentlich kleineren Abmessungen als das bisher möglich war, erzielbar ist und mit diesen erfolgreich Verbrennungsmotoren und andere Kolbenkraftmaschinen, so wie Gasturbinen ersetzt werden können, was den Ausbau wirtschaftlicher energetischer Einheiten ermöglicht. Auch ist es vorteilhaft, daß die Arbeitstemperatur im Vergleich zu denjenigen Verfahren, bei denen Wasser bzw. Wasserdampf als Arbeitsmedium verwendet wird, eine erhebliche Senkung der Anfangstemperatur von 540-560°C bei Verwendung von Kohlendioxid als Arbeitsfluidum bis auf 400-500°C reduzierbar ist, was zur Folge hat, daß eine bedeutend längere Lebensdauer der Anlage wegen der geringen Korrosion der Oberflächen und damit eine enorme Vereinfachung der Konstruktion und Ausführung der Arbeitsteile der Anlage gewährleistet wird, so wie auch die Ermöglichung der Anwendung billiger Konstruktionsstähle anstelle teuerer Materialien, was die Durchführung des Verfahrens vereinfacht und die Steuerung erleichtert, da keine regenerative Erwärmung des Kondensats notwendig ist im Unterschied zur Verwendung von Wasser als Arbeitslösung.

In der Zeichnung sind erläuternde Diagramme dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 das bekannte übliche Verfahrensschema eines turbo-energetischen Blockes,

Fig. 2 das bekannte übliche T-S-Diagramm zur Darstellung des Unterschiedes zwischen der eingebrachten und der verlorenen Wärme (T Δ S) als Arbeit,

Fig. 3A Darstellung eines T-U-Diagrammes für Wasserdampf und

Fig. 3B die Darstellung eines P-U-Diagrammes für Wasserdampf,

Fig. 4 ein T-U-Diagramm zur Darstellung der Hochdruckexpansion bei I Überhitzung und II Überhitzung und Expansion im Mitteldruck und Niederdruck.

Fig. 5 ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit des Wirkungsgrades von der Temperatur des Arbeitsfluides.

Fig. 6 das Verfahrensschema eines experimentellen turbo-energetischen Blockes mit CO₂ als Arbeitsfluidum.

Beschreibung der Lösung des technischen Problems

Bei der Umwandlung von Wärme in mechanische Energie oder in Exergie soll der Teil, der in die Exergie nicht zu verwandeln ist, d. h. die Anergie, sich nicht unbedingt aus dem Glied T Δ S zusammensetzen. Die Anergie kann auch einen bedeutenden Teil der Exergie enthalten, d. h. ein Teil der translatorischen Energie der Moleküle, abhängig von der Art des Arbeitsfluidums (einatomiges Fluidum enthält keine Entropie) und von der Art und Weise der Verfahrensgestaltung. Für die Voraussetzungen zur Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit sh. die oben genannte Veröffentlichung zu 2). Um einen Arbeitsprozeß bildlich richtig darzustellen, anstatt in den in der Thermodynamik üblichen T-S-Diagrammen (Fig. 2), ist ein T-U-Diagramm (Fig. 3A) und ein P-U-Diagramm (Fig. 3B) dargestellt.

Die Innenenergiewerte für den Wasserdampf sind auf die Weise ausgerechnet worden, daß man aus tabellarischen Enthalpiewerten (Malic D.: Thermodynamik und Thermotechnik, Gradj. Knj. Belgrad, 1977) die nicht ausgeübte äußere Arbeit entzieht (in der Turbine ist die Summe der äußeren Arbeit gleich 0) und zwar gemäß:

U _i′′ = I _i′′ - P(V _i′′ - V _o′) und U′ = I′ - P(V′ - V _o′) (1)

Selbstverständlich würde der Fehler nicht merkbar sein, auch wenn anstelle der Innenenergiewerte die Enthalpiewerte genommen worden sind, da immer von kleinen Differenzen Δ U und Δ I die Rede ist.

Das Diagramm (Fig. 3) ist für den Fall gegeben, daß man den Wasserdampf im Turbineneingang mit Parametern T = 550° und P = 250 bar, mit zwei Zwischenüberhitzungen (die Punkte 3 und 5) nimmt und eine regenerative Erwärmung des Kondensats bis 200°. Die Dampfexpansion wird bis 25°C und 0,03 bar ausgeübt, mit einer Ausgangsfeuchtigkeit von 10%.

Fig. 3A zeigt das T-U-Diagramm für Wasserdampf. Hierbei zeigt die Kurve 14 die Isobare für 250 bar und die Kurve 15 die Isobare für 1 bar.

Fig. 3B zeigt das P-U-Diagramm für Wasserdampf; hierbei zeigt 16 den Verdampfungsbereich und 17 den Überhitzungsbereich.

Für einen ähnlichen Arbeitsblock in dem Thermokraftwerk "N. Tesla" Obrenovac-Belgrad, einer Leistung von 620 MW, gemäß der Literaturstelle (Mocnik V.: TE "N. Tesla" Obrenovac, Entwicklung und Ausbau in der Monographie Energie und Entwicklung, Belgrad, 1986), wurde ein WG von 0,3322 im Zeitabschnitt von 1980-1985 erzielt, als Durchschnittswert und mit dem stimmen auch andere Literaturangaben aus mehreren Quellen überein.

Da es sich in diesem Falle um moderne Turbinen handelt, haben wir bei diesen einen WG von 0,92 gewählt und die totalen Verluste (in der Brennkammer durch Abstrahlung von den Oberflächen, Pumpen, Generatoren, Transport- und Steuerarbeiten) im Wert von 25% gewählt.

Die eingebrachte Energie im Erwärmer (Kessel) und Überhitzer ist:

U _in = (U₁′′ - U _o′) + (U₃′′ - U₂′′) + (U₅′′ - U₄′′) - P₁V _o′ (das ist die Pumpenarbeit - W _p)

U _in = (54 701 - 15 353) + (58 164 - 47 801) + (60590 - 46521) - 250 · 10⁵ · 20,84 · 10^-6

(W _p = 501 J/mol)

U _in = 63,999 ≈ 64,0 kJ/mol

Die Expansionsarbeit in der Turbine für WG = 1, ist

W _I = (U₁′′ - U₂′′) + (U₃′′ - U₄′′) + (U₅′′ - U₆′′) - (54 701 - 47 081) + (58 164 - 46 521) + (60 590 - 46 794)

W _I = 33,059 kJ und mal 0,92 - W _I = 30,414 kH/mol.

Der thermodynamische Wirkungsgrad des Arbeitszyklus ist:

und der effektive

η _ef = n _t · 0,75 = 0,3506 oder 35,06%.

Es wird bemerkt, daß wir diese Analyse so durchgeführt haben, daß der Dampf sich vom Punkt 6 bis 0′ kondensiert und nicht vom Punkt 6 über 6′ bis 0′.

Da der ermüdete Dampf (bestehend aus Kondensat 10% und 90% z. T. assoziierte Moleküle) noch bedeutende kinetische Energie besitzt, gleich E = 1/2 mw², ist es logisch, daß diese im Arbeitsvorgang unrückgewinnbar verlorengeht und dem Kühlwasser zugeführt werden muß. Für eine Turbine mit 3000 U/min (t = 0,02 s) und Durchmesser 2 m, ist die Umfangsgeschwindigkeit der Schaufeln:

W = d π /t = 6,28/0,02 = 314 m/s

und die verlorene Energie

E = 0,5 · 0,018 · 314² = 887 J/mol.

Die nicht ausgenutzte Energie in der Turbine ist 8%, d. h.
0,08 × (U₅′′ - U₆′′) = 0,08 (60,590 - 39,265) = 1,706 kJ/mol.

Der auf diese Weise ausgerechnete WG =

η _ef = 0,351 oder 35,1%.

Dieses Resultat ist genau dasselbe, als wären wir über einzelne Arbeiten (W _I - W _p) gegangen, was noch ein weiterer Beweis der Analyse ist, die wir nur aus der Basis des I. Hauptsatzes der Thermodynamik gemacht haben, ohne daß wir den II. Hauptsatz erwähnt haben. Aus der vorherigen Analyse kann mit Hilfe des Diagrammes in Fig. 3 der Schluß gezogen werden, daß beim Rankine-Clausiusschen Prozeß der WK um so mehr wachsen wird, wenn die Kondensationstemperatur (und entsprechend auch der Druck) dem kritischen Punkt näherliegt. Im kritischen Punkt ist die Kondensationswärme gleich 0 und WG wird 1 betragen, da keine Wärme außerhalb des Arbeitsprozesses abgeführt wird. In diesem Punkt ist der gewonnene Arbeitswert aber deswegen minimal, weil in dem Punkt die Druckdifferenz nur 250 - 221 = 29 bar ist, in dem analysierten Falle ist diese Differenz aber 250 - 15,5 = 234,5 bar und beträgt somit das 8fache.

Es ist ganz logisch, daß proportional der Druckdifferenz in der Turbine am Eingang und Ausgang auch ein entsprechender Durchsatz des Dampfes durch die Turbine erfolgt, d. h. auch die entsprechende Leistung der Anlage im ganzen erzielt wird. In Arbeit wird also nur die innere Energie der Gasphase des Arbeitsfluidums umgewandelt, das ist im Wesen nur die lineare Energie des Dampfes. Es ist anzumerken, daß der Hauptverlust im Prozeß die Kondensationswärme des Wassers (49%) ist. Die Analyse ist ausgeführt, ohne daß die Entropie berücksichtigt worden war, so wie sie jetzt definiert ist, d. h. ohne den empirischen Wert aus den Tabellen, wie das jetzt zur Regel gemacht wird, so daß man sieht, wo die Hauptverluste zu errechnen sind. Es ist dann gewiß logisch die Frage zu stellen, ob es mit Wasser als Arbeitsfluidum überhaupt möglich ist, noch mehr Energie zu bekommen, z. B. durch die Einführung von mehreren weiteren Überhitzungen, oder das Kondensat noch mehr regenerativ zu erwärmen. Selbstverständlich ist es möglich, dies auszuführen; nur mit mehreren Überhitzungen wird der Dampfdruck erhöht und damit die Differenz zwischen Eingang und Ausgang der Turbine erniedrigt, womit der Dampfdurchsatz durch die Turbine abfällt, d. h. daß die Leistung auch abfällt, obwohl der WG wächst. Diese letzteren Nachteile können durch eine Volumenerhöhung der Turbine und Vergrößerung der Schaufeloberflächen beseitigt werden, die jedoch durch den Materialwiderstand begrenzt wird. Zusammenfassend ist ersichtlich, daß es mit Wasser als Arbeitsfluidum nicht mehr möglich ist, den Wirkungsgrad wesentlich zu erhöhen.

Die andere Möglichkeit zur Erhöhung des Wirkungsgrades wäre, daß man die Kondensation auf höherer Temperatur ausführt, z. B. auf 200-300°C und in einem sekundären Arbeitszyklus, der auf den primären mit dem Wasser gebunden wäre, mit einem Arbeitsfluidum mit niederem kritischen Punkt, z. B. Ammoniak, SO₂, N₂O, CO₂, Frigenen oder vielen anderen möglichen Verbindungen, die bis zu 300°C stabil sind, arbeitet. Aber das Arbeitsfluidum darf außer den thermodynamischen Eigenschaften auf die Materialien nicht aggressiv einwirken und muß ungiftig, unbrennbar und nicht explosiv sein. Bei der Analyse von vielen möglichen Arbeitsfluiden in der Chemie, verbleibt nur noch Kohlendioxid. Mit dem könnte entweder der sekundäre Arbeitszyklus durchgeführt werden oder es könnte allein im Arbeitszyklus, wie bisher Wasser, verwendet werden, da das CO₂ bis 600°C absolut stabil ist, hat es alle anderen Eigenschaften wie das Wasser, nur seine Kondensationswärme ist viel niedriger.

In Fig. 3B ist bildlich der Prozeß in einem P-U-Diagramm dargestellt, aus dem ist die Druckänderung und die innere Energie des Fluidums in einzelnen thermodynamischen Punkten ersichtlich. Dieses Diagramm ist ziemlich unterschiedlich vom T-U-Diagramm, weil in dem noch der Volumeneinfluß eine Rolle spielt, P = f(T/V). Außer CO₂ könnte auch erfolgreich ein isoelektronisches Oxyd N₂O verwendet werden, nur aber bis 300°, da es auf höheren Temperaturen nicht genug stabil ist. Das ist ein endothermisches Oxid, dessen Eigenschaften fast denen von CO₂ gleichen, es hat aber den Nachteil, daß seine Bildungsenergie positiv ist (+80,2 kJ/mol) und unter bestimmten Bedingungen (nach Erhalt eines sehr starken Zündimpulses) explodieren könnte. Sonst wird es einfach durch einfache Zersetzung von Ammoniumnitrat 230-250° in einem Bad aus NaNO₃/KNO₃ produziert und ist in kleinen Konzentrationen nicht aggressiv oder giftig.

Für den sekundären Arbeitszyklus mit Wasserdampf könnten relativ stabile und auf die Umgebung nicht aggressive und ungiftige Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe Verwendung finden, aber in letzter Zeit wird dagegen eingewendet, daß diese durch Zersetzung mit ultravioletten Strahlen die Ozonschicht in der Stratosphäre vernichten (bekannt als sog. Ozonloch über dem Südpol, aber auch auf dem Nordpol).

Die vergleichbaren physikalisch-chemischen Eigenschaften für Kohlendioxid und Wasser sind in der Tabelle 1 gegeben:

Tabelle 1

Physikalisch-chemische Eigenschaften von CO₂ und H₂O

Was die Stabilität der CO₂-Moleküle in bezug auf Wasser betrifft, ist die Gleichgewichtskonstante der Reaktion CO₂ ⇄ CO + 1/2 O₂ auf 890 K (527°C) K _p = 1,22 · 10^-14 bei 1 bar; der Dissotationsgrad -α bei 800 K und 100 bar ist 1,44 · 10^-10 (beim Wasser in denselben Bedingungen 2,66 · 10^-11). Bei Temperaturen von 1200 K und 100 bar (die Bedingungen der lokalen Überhitzung im Kessel oder in den Rohren) α = 1,82 · 10^-6 für CO₂ und 3,47 · 10^-7 für H₂O. Gemäß den Angaben ist die Stabilität des CO₂-Moleküles auf höheren Temperaturen und Drücken vollkommen zufriedenstellend, fast wie bei den außerordentlichen stabilen H₂O-Molekülen und in einem thermischen Prozeß soll nicht mit dem evtl. Problem gerechnet werden. Chemisch ist CO₂ ein vollkommen unaggressives Fluidum, greift nicht die Metalle und Kohlenstoff-Stähle, sowie andere Materialien (organische oder anorganische) an, als Gas oder als Flüssigkeit und es ist nicht brennbar und nicht explosiv, allein oder mit der Luft für Menschen und Tiere ungiftig, kann aber in Abwesenheit von Sauerstoff in der Luft lebensgefährlich sein (Stickgas). Im Arbeitsraum ist eine dauernde Konzentration von 0,5% zulässig und für kurzfristigen Aufenthalt (bis zu 15 min) 5% (Bogner M., Ciri S.: Tehnicki gasovi, Gradj. knj., Belgrad 1984), was im Betrieb durch gute Lüftung und Ventilation leicht einzuhalten ist. Es kann entweder als Gas oder als Flüssigkeit leicht abgedichtet werden, insbesondere deswegen, da CO₂ im Durchmesser des Moleküls um ca. 3mal größer ist als ein Wassermolekül, als Rotationsdurchmesser gerechnet.

Es wird leicht aus Erdgas oder Industrieabgasen gewonnen, z. B. aus Kalköfen, durch mehrfache Kompression und Kühlung unter gleichzeitiger Entfernung von Beimengungen (N₂, CO, H₂O, SO₂). Die Reinheit der technischen Qualität beträgt mindestens 98% (Beimengungen von H₂O), kann aber leicht bis 99,9% mit nur 0,1% H₂O gehen. Das ist ein so reines Arbeitsfluidum, daß mit ihm kein Problem der Steinablagerung im Verdampfer über Wasser auftreten wird, wobei der Herstellungspreis kaum höher wie beim Destillationswasser ist. Die Literaturangaben über physikalisch-thermodynamische Daten des CO₂ aus verschiedenen Quellen für niedere Drücke sind übereinstimmend. Auch die Werte für höhere Drücke unterscheiden sich nur teilweise; der Autor hat sich bemüht, mit maximaler Sorgfalt diese genauestens zu extrapolieren. Nämlich auf der Basis von Angaben aus (Bogner M., Ciri S.: Tehnicki gasovi, Gradj. knj., Belgrad 1984) und (Daubert T. E.: Chemical Engineering Thermodynamics, MGH, New York, 1987), kann mit Sicherheit angenommen werden, daß innere Energie der Gasphase (auch der Dampfphase) mit dem Druck allmählich wächst, was bei anderen Arbeitsfluiden, z. B. bei Wasserdampf nicht der Fall ist. Das heißt, daß der bekannte Joule-Thomsons Effekt mit erhöhtem Druck (z. B. 250 bar) fast 0 gleich ist, oder sogar negativ ist. Das könnte damit erklärt werden, daß die CO₂-Moleküle teilweise der Achse O=C=O (CO₂ ist ein lineares Molekül mit dem Winkel O=C=O von 180°) entlang kompressierbar sind, was ein zusätzlicher Faktor ist, der die Erhöhung der linearen Energie verursacht. Der Joule-Thomsonsche Effekt ist, nach Meinung des Autors bedingt durch die Rotationsstörungen der Moleküle und in diesem Fall kleiner als die erwähnte "Kompressionsenergie". Selbstverständlich wirkt sich diese Tatsache auf den Wirkungsgrad positiv aus, es muß aber auch gesagt werden, daß dieser Effekt doch nicht sehr bedeutend ist, so daß der Wirkungsgrad nicht wesentlich davon abhängig ist.

Die nachfolgende Tabelle 2 zeigt einzelne physikalische Daten für CO₂. Als thermodynamische Werte sind auf die Temperatur -56,6°C (Siedetemperatur) als 0-Wert gebracht. Die Werte U′ werden gewonnen, wenn von I′ der Wert P · Δ V′ entzogen ist und die Werte U′′ (P), als man von I′′, P(V′′-V′) abzieht, obwohl das erste Glied vernachlässigt werden könnte (der maximale Wert i an kritischen Punkten 0,39 kJ/mol). Die Verdampfungswärmen "r" für den konstanten Druck oder konstantes Volumen sind im Unterschied zu I′′-I′ oder U′′-U′, gegeben.

Alle diese Werte sind auf dem Diagramm Fig. 4 als Anlage dargestellt.

Fig. 4 zeigt das T-U-Diagramm für CO₂. Hierbei betrifft
der Bereich 18 zwischen Punkt b-c die Expansion im Hochdruck,
der Bereich 19 zwischen Punkt c-d die erste Überhitzung,
der Bereich 20 zwischen Punkt d-e die Expansion im Mitteldruck,
der Bereich 21 zwischen Punkt e-f die zweite Überhitzung,
der Bereich 22 zwischen Punkt f-a die Expansion im Niederdruck.

Die Ausrechnungen für die Drücke des CO₂ gemäß der V an der Waalsschen Standgleichung (wobei a = 3,6 · 10⁶ cm⁶bar/mol² und und b = 42,7 cm³/mol) (Ribnikar S.: Molekularni aspekt fizicke hemÿe, B. Gr. Z. Belgrad 1979) ergibt:

außer den Werten in der Nähe des kritschen Punktes, sind diese mit den Experimentalwerten gut übereinstimmend. Deshalb haben wir, auf Basis der geschätzten Kurve P = f(T) auf Diagramm Fig. 4, die Dichte bzw. die Molvolumen in Abhängigkeit von der Temperatur und Druck ausgerechnet (die Werte in Klammern in der Tabelle 2).

Tabelle 2

Die physikalisch-thermodynamischen Werte für CO₂

(Bogner M., Ciri S.: Tehnicki gasovi, Gradj. hnj. Belgrad 1984; Daubert T. E.: Chemical Engineering Thermodynamics, MGH, New York, 1987)

Selbstverständlich kann die Druckkurve in der Turbine nach Wunsch geregelt werden, der maximale Druck von 250 bar ist deshalb gewählt, weil das eine Analogie mit dem Wasserdampf ist, um Vergleiche machen zu können.

Wenn vom kritischen Punkte, in dem das Molvolumen 94,04 cm³ gleich ist, eine isohorsche Erwärmung durchgeführt wurde und auf Basis von der Van der Waalsschen Gleichung der Druck gerechnet wird, bekommt man einen Wert von 900 bar. Das kann als Dampfdruck bei 550° aufgefaßt werden und wenn von 74 bar abgegangen wird, garantiert uns die Differenz 900-74 = 826 bar, ein sehr schnelles Verdampfen des flüssigen Kodensats, das mit der Pumpe in den Verdampfer eingebracht wird. Eine ähnliche Berechnung mit Wasser, isohorisch gibt den Druck von 840 bar und die Differenz 840-221 = 619 bar ist damit wesentlich kleiner als beim CO₂. Diese Angabe ist deswegen wichtig, daß man weiß, daß die Verdampfung beim CO₂ für die gleichen Temperaturunterschiede zeitlich viel schneller erfolgen wird. Die Van der Waalsschen Konstante für Wasser sind:

a = 5,46 · 10⁶ cm⁶bar/mol² und b = 30,5 cm³/mol

Die Dichteänderung des Wasserdampfes am Eingang und Ausgang der Turbine ist groß, adequat der müssen auch die Expansionsräume und die Schaufeloberflächen ausgeführt sein. Beim Kohlendioxid ist, wie das aus der Tabelle 2 ersichtlich ist, die Änderung des Molvolumens nur 3fach. Da der wahre Druck aus zwei Komponenten zusammengesetzt ist, aus der Wärme und Volumenkomponente, d. h. daß beim CO₂ der Druck vorwiegend als Wärmedruck auftritt, wogegen er beim Wasserdampf mehr als Dichtedruck erscheint (sh. lit. Quelle 1).

Jetzt können wir den WG eines thermodynamischen Kreisprozeß für CO₂ ausrechnen:

U _in = (U _b′′ - U _a′′) + (U _c′′ - U _d′′) + (U _e′′ - U _f′′) - V _m° (P₁ - P _o) (W _p = 61,7 · 10^-6 · 176,2 · 10^-5)

U _in = (35 - 8,24) + (35 - 29,5) + (35 - 29) - 1,087

U _in = 37,17 kJ

Die aus dem Kreisprozeß abgeführte Wärme U _cond = 4,52 kJ (ohne kynetische Energie des Dampfes) beträgt und der WG:

Sogar ohne die Zwischenerwärmungen, der WG wäre auch ziemlich hoch, würde 0,83 betragen.

Analogie mit Wasser als Arbeitsfluidum, bei dem ein WG der Turbine 0,92 erzielbar ist, sollte bei CO₂ dieser etwa 0,95 sein, weil dieses Molekül eine größere Masse und ein größeres Volumen hat. Da auch die Verdampfungs- und Kondensationsoberflächen beim CO₂ geringer als beim Wasser sein werden, sollte man auch kleinere Verluste von denen erwarten, besonders deswegen, da das Wasser in Undichtigkeitsstellen als Dampf wesentlich mehr Wärme in die Umgebung abgibt.

Deshalb sollten beim CO₂ diese Verluste 20% (beim Wasser 25%) erwarten lassen und der WG sollte sein:

η _ef = 0,878 · 0,95 · 0,80 = 0,667 oder 66,7%

Das ist eben mehr als ein doppelt so hoher Wert als beim Wasser als Arbeitsfluidum. Aus der Analyse ist ersichtlich, daß die Kondensationswärme bei CO₂ um 7mal niedriger als beim Wasser ist (31,44/4,52 = 6,96), was auch bedeutet, daß die Oberflächen des Verdampfers (Kessels) und des Kondensers in gleichem Verhältnis kleiner sein sollten. Die Kühlwasserkapazitäten sollen auch in dem Verhältnis stehen, was bedeutet, daß auch bei maximalen Kapazitäten der Kraftwerke in allen Fällen die Kühltürme mit Rezirkulation verwendet werden können und die größten Kraftwerke können unmittelbar beim Kohlenbergwerk gebaut werden und damit große Ersparnisse im Kohlentransport darstellen. Die großen Kohlenkraftwerke können auch in der Nähe der großen Verbraucher gebaut werden (z. B. Aluminiumelektrolyse).

Wie aus der vorherigen Analyse hervorgeht, kann, falls die Kondensation gleich in der Nähe des kritischen Punktes (+31,4°C) erfolgt, der WG praktisch 1 sein. Diese Bedingung ist beim CO₂ leicht zu erreichen, da die Umgebungstemperatur und der kritische Punkt nahe beieinander liegen, im Unterschied zu Wasser.

Es ist ganz logisch, daß die Flüssigkeit in der Nähe des kritischen Punktes nicht mit der Zentrifugalpumpe verdichtet werden kann, da in dem Falle die Kavitation viel stören könnte. Deshalb soll eine Kolbenpumpe verwendet werden, da in dem Falle immer ein Vordruck vorhanden ist, nicht ein Unterdruck, wie bei der Zentrifugalpumpe. Es ist sehr günstig, daß die Pumparbeit nicht verlorene Arbeit ist (außer Reibung in dem Pumpenmotor), diese wird wieder in den Kessel eingebracht. Die relativ niedrige kritische Temperatur beim CO₂ bedingt, daß die Kühlwassertemperatur nicht über 20-22°C ansteigen darf, was in einzelnen Fällen (in den warmen Erdteilen) zusätzliche Kühlturmkühlung oder größere Kühloberflächen erfordern kann.

Unter Voraussetzung, daß ein vergleichender Versuch in einer für Wasser vorgesehenen Anlage durchgeführt wird, um die theoretischen Voraussetzungen bestätigen zu können, stellt sich logischerweise außer dem WG die Frage, wie die wahre Leistung der Anlage ausfallen wird, da zwei Sachen miteinander verbunden sind.

Für den Verdampfer und den Kondensator ist schon gesagt worden, daß diese in jedem Fall kleiner sein sollen, aber mit einer Turbine steht die Sache anders. Als erstes, die Turbinenstufe, die für einen Druck von kleiner als 74 bar vorgesehen ist, kann für CO₂ nicht verwendet werden, er ist also ohne Nutzen.

Auf der Basis der Eigenschaften des CO₂ in bezug auf Wasser sind auch andere Parameter unterschiedlich. Zum Beispiel, da die Leistung der Turbine direkt von der Drehzahl abhängt, sowie von der Anzahl der Mole des CO₂, die durch die Turbine fließen, wird ihre Kapazität folgende sein:

1. Beim selben Anfangsdruck P₁, z. B. 250 bar, die Druckbeziehung zwischen Ein- und Ausgang der Turbine ist η₁ = (250 - 64,4)/(250 - 0,05) = 0,743d. h. die Druckdifferenz beim CO₂ ist um 26% niedriger.
2. Die Molekülmasse beim CO₂ ist wesentlich höher als beim H₂O und gemäß der Beziehung der Durchfluß von CO₂ durch die Turbine wird kleiner (in mol/s), d. h.:
3. Die Beziehung zwischen den inneren Energien CO₂ und H₂O ist: η₃ = 32,65 · 0,96/33,059 · 0,92 = 1,031

Dabei ist WG der Turbine als 0,96 für CO₂ und 0,92 für H₂O als real genommen worden.

Wenn alle diese 3 Koeffizienten miteinander vermehrt werden, bekommen wir eine Zahl 0,49, die uns sagt, daß wir nur 49% der Leistung mit CO₂ in bezug auf Wasser haben werden. Das sagt uns, daß bei der Projektierung der Turbine für CO₂ diese zweifach größer sein muß als eine Turbine für Wasser.

Soll auch erwartet werden, daß das interne Wärmeaustauschen zwischen den Molekülen des CO₂ und den Schaufeln der Turbine schneller ist, da die Konfiguration des CO₂-Moleküls linear ist, und beim Wasser eher sphärisch ist, wodurch ein intensiverer Wärmeaustausch bei Zusammenstößen zu erwarten ist.

Da die Kompressibilität des CO₂-Moleküls in bezug zu Wasser relativ hoch ist, kann erwartet werden, daß der Druckabfall nicht so steil sein wird, als beim Wasser. Dies bedeutet, daß die Konstruktion der Turbine unter leichteren Bedingungen erfolgen kann und diese einfacher als beim Wasser sein wird. Da auch eine regenerative Erwärmung des Kondensats bei Verwendung von CO₂ nicht notwendig ist und da keine flüssigen Tropfen auf den Schaufeln zu erwarten sind, wird die Steuerung mit dem Prozeß einfacher und die Automatisation ebenfalls.

Ein weiterer Vorteil des CO₂ in bezug zu Wasser besteht darin, daß CO₂ auf den Schaufeln am Ausgang nicht kondensieren kann und daß dadurch keine gefährlichen Vibrationen verursacht werden können und die Kavitation der Schaufeln und seine korrosive Wirkung in jedem Falle kleiner ist als das beim Wasser der Fall ist.

Aus dieser Analyse kann man ersehen, daß nur eine Turbine als Kraftmaschine durch ihre konstruktiven Möglichkeiten (die große Anzahl der Schaufeln bzw. Schaufelkränze) es ermöglichen, fast alle Wärmeenergie des gasartigen Fluidums in mechanische Energie umzuwandeln. Kolben- und Zylinder-Kraftmaschinen können nur vorwiegend die translatorische Komponente der Energie in die mechanische Arbeit umwandeln, da es sich hier um eine ganz kurze Zeitspanne für den Energieaustausch handelt (die nur bei der Expansion des Gases auftritt). Daher ist der WG bei diesen Maschinen begrenzt und relativ klein. Deshalb ist es sehr wichtig, besonders bei stationären Antriebsmaschinen (wie Schiff-, Unterseebootsmaschinen und Lokomotiven usw.), den Antrieb mittels der Turbine in einem Rückprozeß mit CO₂ zu ersetzen, nicht nur also bei turbo-elektrischen Blöcken. Auf diese Weise ist es theoretisch die einzige Möglichkeit, daß der WG wesentlich vergrößert wird. Selbstverständlich ist es illusorisch zu erwarten, kleine Innenverbrennungsmotoren auch bei beweglichen Fahrzeugen durch CO₂-Turboblocks zu ersetzen. Ebenfalls können auch die reaktiven Düsenmotoren nicht einen wesentlich höheren WG als Kolbenmotoren haben. Bei diesen Motoren wird meistens nur die translatorische Energie der Gasmoleküle ausgenützt, da bei der Vergrößerung des Volumens (Expansion) die Moleküle sich schnell voneinander entfernen und es nicht zu erwarten ist, daß die seine bedeutende Umwandlung der Rotations- und Schwingungsenergie in die translatorische Energie erfolgt, um so mehr, weil die Zusammenstöße der Moleküle immer seltener sind. Sogar wenn die Expansion im Vakuum bei 0 K geschehen wird, der WG wird nicht 1 sein (wie die jetzige Theorie behauptet), sondern wahrscheinlich 1/a, wobei "a" der sog. Entropiekoeffizient bedeutet (sh. Literaturnachweis 1 und 2).

Um unsere Bahauptungen weiter experimentell zu bestätigen, haben wir in der Fig. 5 einige praktische WG für einige Frigene aufgeführt, die die japanischen Forscher erhalten haben (Ishikawa N.: Fluorine Compounds, Modern Technology an Applic. Tokyo, 1981 [Übersetzung - MIR, Moskau 1984]). Der WG im Werte von im Durchschnitt 35% sind schon bei Temperaturdifferenz bis 100° gewonnen und bis 300° wachsen diese sogar bis 70%, was nach jetziger Thermodynamik unmöglich ist. Wir haben in der Fig. 5 in ihrer oberen Tabelle gleichzeitig die physikalisch-chemischen Charakteristiken verschiedener Arbeitsfluida angegeben.

Fig. 5 zeigt die Abhängigkeit des Wirkungsgrades (WG) von der Temperatur (T) für verschiedene Fluida.

Die Leistungen der Versuchsblöcke betrugen bis 1000 kW und mit diesen hat man die Möglichkeit der Ausnutzung der Wärme der geothermalen Wasser, sowie die Temperaturdifferenz im Meereswasser in verschiedenen Tiefen geprüft.

Nach neuer Theorie ist die Erklärung eines so hohen WG einfach. Die mehratomigen Freonmoleküle haben eine um so höhere Wärmekapazität, je mehr Atome im Molekül vorhanden sind und in der Turbine erfolgt sukzessiv eine Verwandlung der Rotations- und Schwingungsenergie in treibende translatorische Energie, d. h., daß die Entropie ständig in Energie verwandelt wird. Auch ist die Kondensationswärme der Freone in bezug auf das Wasser relativ klein (da die Kondensationstemperaturen auch nahe den kritischen liegen und der End-WG ist deswegen hoch. Außer mit Freonen sind Experimente auch noch mit Ammoniak und mit niedrigen Kohlenwasserstoffen durchgeführt worden. Die Ergebnisse wären mit Sicherheit die besten, wenn diese auch mit dem CO₂ durchgeführt worden wären, weil diese mit kleinen Anlagen, mit kleinen Verlusten und relativ niedrigen Arbeitstemperaturen durchgeführt wurden, so daß kleinere Verluste sich auf den WG stärker auswirken.

Die vorliegende Erfindung wäre auf Basis der klassischen Thermodynamik und unter Anwendung des jetzt definierten II. Hauptsatzes nicht gemacht worden, dagegen wohl auf Basis der neuen theoretischen Voraussetzungen.

Wie bekannt, hat Linde noch 1874 CO₂ in der Kühltechnik zu verwenden versucht, was jedoch wegen seiner kleinen Wärmekapazität beim Verdampfen (kleine Verdampfungswärme) schnell vernachlässigt worden ist.

Dieser Nachteil in der Kühltechnik ist jedoch ein Vorteil in der Energetik, d. h. eine dialektische Verbindung. Auf einen so einfachen Zusammenhang wartete man mehr als 100 Jahre.

Ausführungsbeispiele

Kohlendioxid kann in turbo-energetischen Blöcken als Arbeitsfluid auf zweierlei Art Verwendung finden und zwar:

1. In einem binären Kreislaufprozeß, in dem im sekundären Teil CO₂ verwendet wird und der imprimäre Teil, wie normal, mit Wasserdampf arbeitet. Für das Verdampfen und das Überhitzen des CO₂ wird Kondensationswärme des ermüdeten Wasserdampfes, z. B. mit nur einer Temperatur von mehr als 200°C verwendet.
Bei Verwendung eines ähnlichen wie vor beschriebenen Arbeitsprozesses, beträgt in dem Prozeß die verlorene Energie (Anergie): H _cond + 0,08 · U _in = 31,441 + 0,08 · 64 = 36,561 kJ/molkönnte im sekundären Kreis um etwa 80% ausgenützt werden und der wahre Verlust wäre nur:36,561 · 0,2 = 7,31 kJ/molAuf diese Weise wäre der thermodynamische WG summarisch sogar:(64 - 7,31)/(64 = 0,886 oder praktisch 0,886 · 0,75 = 0,664was wieder doppelt so hoch ist, als beim Wasserdampf allein im Monokreis. Selbstverständlich ist die Steuerung mit einem binären Prozeß komplizierter und die Synchronisation ist schwierig zu regeln, es sind mehrere Haltezeiten zu erwarten, was auf der End-WG alles reflektieren würde.
2. Durch Bildung von einem unabhängigen turbo-energetischen Block mit 1 bis 3 Überhitzungen des CO₂-Dampfes, ohne der regenerativen Erwärmung des Kondensats. Der Kreisprozeß würde sich gemäß dem Diagramm auf Fig. 4 abwickeln. Es würde eine 2- oder 3stufige Turbine der optimalsten Konstruktion und Ausführung verwendet, gemäß eben den Forderungen, die die technischen Parameter des CO₂ bedingen. Sogar besteht eine Möglichkeit in bezug auf Wasserdampf, daß man die Anfangstemperatur des CO₂ auf 400°C reduziert, daß die Kondensationstemperatur in der Nähe des kritischen Punktes, d. h. 28-30°C eingehalten wird, so daß doch der WG hoch bleibt, sogar 70-80%. Die damit etwas verlorene Wärmeleistung könnte mit erhöhtem Druck kompensiert werden. Was das alles apparativ und in der Zuverlässigkeit bedeuten würde, ist unnötig darüber zu sprechen.

Außer dem zwei erwähnten Möglichkeiten für die Durchführung des Arbeitsverfahrens mit CO₂ als Arbeitsfluid können diese Verfahren auch bei allen Produktionseinheiten hoher Leistung, z. B. über 1000 kW (1 MW), wie bei Schiffs- und Unterseeboots-Motoren, den Eisenbahnlokomotiven, bei energetischen stationären Aggregaten in der Industrie, also überall dort, wo heute bei der Verwendung von Innenverbrennungsmotoren (am häufigsten sind das Dieselmotoren) manchmal noch Dampfmaschinen gebräuchlich sind, Verwendung finden.

Dem Monokreislauf mit CO₂ als Arbeitsfluidum inklusiv den Kesseln (Verdampfer) und Überhitzer, Kondensator, Kondensatpumpe, Turbine und die Regeleinrichtungen, sollten in keinem Fall Dieselmotoren vorgezogen werden und von diesem Gesichtspunkte sollte kein Grund vorhanden sein, diese besonders bei größeren Leistungen auf Basis von Erdöl oder Gas und sogar Atomkernreaktor arbeitenden Maschinen nicht zu ersetzen. Es ist nicht erforderlich zu erwähnen, daß in allen diesen Fällen feste Brennstoffe verwendet werden könnten.

In Fig. 6 der Zeichnungen ist ein Verfahrensschema für die erfindungsgemäße Versuchsanlage einer experimentalen turbo-energetischen Arbeitseinheit dargestellt. In dieser bedeuten:

23 - ein Metallgefäß für ein Bad mit Woodscher Legierung,
24 - ein elektrischer Heizkörper,
25 - ein Stromzähler,
26 - ein Verdampfer,
27 - ein Dampfüberhitzer,
28 - eine dreistufige Turbine,
29 - ein elektrischer Generator,
30 - ein Gefäß für flüssiges CO₂,
31 - ein Kondensator,
32 - eine Kolbenpumpe,
33 - ein Durchflußmesser.

In einer Verdampfungsrohrbatterie, die in ein Bad aus Woodscher Legierung (Pb-Sn-Bi-Cd), schmelzbar schon ab 50°, eingetaucht ist, verdampft das Kohlendioxid unter überkritischem Druck (z. B. 250 bar). Die Woodsche Lösung soll als ein guter Wärmeleiter die Temperaturausgleichung schnell erreichen, besser als z. B. ein leicht schmelzbares Salz. Die Temperatur wird dabei automatisch im Bereich z. B. bis 600° geregelt.

Die Erwärmung des Bades wird mit elektrischem Strom durchgeführt, dessen Hauptanteil aus dem Turbo-Generator kommt und nur ein kleiner Teil aus dem Netz, praktisch werden damit nur die unentbehrlichsten Verluste im Anheizprozeß hinzugegeben. Das Verdampfen von kondensiertem CO₂ geschieht z. B. bis 200°, um evtl. gefährliche Vibrationen der Batterie zu vermeiden. Das Überhitzen geschieht mit höheren Temperaturen in anderen Teilen des Bades bis 600°C.

Expansionen des CO₂-Dampfes und die Zwischenpasen-Überhitzungen erfolgen gemäß dem Diagramm in Fig. 4.

Im Kondensator 31 wird der ermüdete Dampf unter dem Druck von 70-74 bar kondensiert und auf eine Temperatur zwischen 28-30° gebracht, die automatisch eingehalten wird. Unter diesen Bedingungen wird CO₂ mit einem gut dimensionierten Kondensator leicht flüssig, wobei die Kondensationswärme - als einziger thermodynamisch bedingter Verlust - minimal ist und ca. 3 kJ/mol beträgt und einen sehr hohen WG von über 90% ermöglicht, sowie die Einhaltung eines stabilen Kondensates für die weitere Arbeit.

Das Gefäß 30 enthält eine genügende Menge des Kondensats für die Arbeit des Verfahrens, wobei sich das Kondensat von evtl. vorhandenen Gasbeimengungen (N₂, O₂, CO) entlüftet und ein Nachfüllen von kondensiertem Gas von außen, als Ersatz der im Prozeß verlorenen Menge, möglich ist.

Eine Kolbenpumpe 32 arbeitet im Tandem (paarweise), über den Durchflußmesser 33 wird das Kondensat in den Verdampfer geleitet. Der Antrieb dieser Pumpen kann mit einem separaten Aggregat mit einem Elektromotor gelöst werden.

Durch Ausnutzung des hohen Druckes des Verdampfers und der anschließenden Abkühlung kann die Wärme des Bades für ein Überpumpen des Kondensats dienen. Alle wichtigen Punkte der Anlage sind mit den Thermometern, Manometern und Durchflußmessern versorgt, um alle Parameter zu messen. In der Anlage kann der WG in einem Temperaturintervall 300-600° und der Druckintervall von 200-400 bar bestimmt werden, wobei auf dieser Basis später eine größere Anlage projektiert werden kann. Bei einer kleineren Anlage (z. B. 100 kW) sollen die Verluste nicht mehr als 5% betragen, unter der Bedingung, daß alle Oberflächen gut isoliert sind, d. h. daß auch bei der Anlage mit der WG mit genügender Genauigkeit bestimmt werden kann. Nach dieser Vorlage kann später ein größerer Pilot-Plant-Block für 1-10 MW projektiert werden und zwar mit flüssigem Brennstoff und Berücksichtigung aller Parameter für die Projektierung des großen Arbeitsblocks; für Temperaturen bis 300°C kann anstelle des Woodschen Metalls eine organische Flüssigkeit verwendet werden, z. B. Diphyl.

Alle Positionen der Anlage müssen mit Hochdruck geprüft werden gemäß den Sandarden.

Was die Prüfung der Stahlstärken und anderer Materialien betrifft, kann die Pilot-Anlage endgültig diese Angaben übernehmen. Durch die praktische Durchführung des Baues der Arbeitsanlage gibt es kein technisches Hindernis, das unlösbar erscheinen könnte. Durch die neue Thermodynamik wird ein neuer Weg zur Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit eröffnet, was eine kolossale Bedeutung für die weitere Entwicklung haben wird.

Auf diese Weise werden die bestehenden Naturbrennstoffquellen viel länger als jetzt vorgesehen vorhalten, wahrscheinlich länger als bis zum Ende des nächsten Jahrhunderts. Sogar wenn dann ein Traum über Verwirklichung der Ausnutzung der Kernfusionsenergie in Erfüllung gehen sollte, verliert diese Erfindung nichts an ihrer Bedeutung.

Claims

1. Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Arbeit in einem turbo-energetischen Block, dadurch gekennzeichnet, daß in einem thermodynamischen Kreislaufprozeß stabiles und die Materialien und Umgebung nicht angreifendes, eine Steigerung des thermodynamischen Wirkungsgrades bis über 90% ermöglichendes Kohlendioxid bzw. sein überhitzter Dampf als Arbeitsmedium verwendet wird, wodurch durch die physikalisch-chemischen Parameter des Kohlendioxides eine wirtschaftliche Fertigung der Arbeitsblöcke mit im wesentlichen kleinen Abmessungen ermöglicht wird.

2. Verfahren zur Umwandlung der Wärmeenergie in mechanische Arbeit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es ermöglicht wird, die bei Verwendung von bisher üblichem Wasserdampf als Arbeitsmedium bisher auftretenden Arbeitstemperaturen von 540-560°C bis auf 400-500°C zu senken, durch Verwendung von die Lebendauer des turbo-energetischen Blockes steigernden, die Korrosion der Oberflächen derselben senkenden und die Konstruktion der Arbeitsteile vereinfachenden Kohlendioxid als Arbeitsmedium.