DE4101500A1 - Waermekraftmaschine - Google Patents
WaermekraftmaschineInfo
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
- F01K21/00—Steam engine plants not otherwise provided for
- F01K21/02—Steam engine plants not otherwise provided for with steam-generation in engine-cylinders
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- Engineering & Computer Science (AREA)
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- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft eine mit einem Kreisprozeß
arbeitende Wärmekraftmaschine, enthaltend
- a) einen durch einen beweglichen Wandungsteil abgeschlossenen Raum, dessen Volumen
- - in einer ersten Arbeitsphase von einem inneren Totpunkt durch Auswärtsbewegung der Wandungsteile bis zu einem äußeren Totpunkt vergrößert und
- - in einer Zweiten Arbeitsphase durch Einwärtsbe wegung der Wandungsteile wieder auf das Ausgangs volumen im inneren Totpunkt verkleinert wird.
Die DE-PS 1 55 744 beschreibt ein Verfahren zur
Energieerzeugung mittels Verflüssigung von Dampfgemischen
aus zwei oder mehreren Flüssigkeiten. Dabei wird eine
verdampfte Flüssigkeitsmenge durch ein- oder mehrmalige
aufeinanderfolgende Expansionen und Kompressionen unter
Arbeitsabgabe vollständig oder teilweise verflüssigt,
hierauf unter Wärmezufuhr wieder verdampft und in den
Arbeitsprozeß zurückgeführt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den
Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine zu verbessern.
Wenn ein Kreisprozeß in einem p-V-Diagramm dargestellt
wird, dann stellen die im Uhrzeigersinn umlaufenden
Flächen eine geleistete Arbeit, die entgegen dem
Uhrzeigersinn umlaufenden Flächen eine aufzuwendende
Arbeit dar. Der Erfindung liegt die spezielle Aufgabe
zugrunde, bei einem Kreisprozeß die geleistete Arbeit im
Verhältnis zu der aufzuwendenden Arbeit möglichst groß zu
machen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß
- b) in dem Raum eine Menge einer verdampfbaren Flüssigkeit bei einer Ausgangstemperatur vorgesehen ist,
- c) bei der Ausdehnung des Raumes in der ersten Arbeitsphase
- - zunächst adiabatisch der Druck der Flüssigkeit verringert wird, so daß eine überhitzte Flüssigkeit entsteht,
- - bei weiterer Ausdehnung des Raumes eine spontane Verdampfung der überhitzten Flüssigkeit eintritt, so daß die bewegliche Wandung durch den entstehenden Druck unter Arbeitsleistung nach außen gedrückt wird, wobei sich der Dampf abkühlt und einen unterkühlten Dampf bildet,
- d) Mittel zur Einleitung einer spontanen Kondensation des unterkühlten Dampfes, so daß ein plötzlicher Druckabfall in dem Raum eintritt,
- e) die beweglichen Wandangsteile unter Kondensation des Restdampfes zum inneren Totpunkt bewegbar sind und
- f) das abgekühlte Kondensat durch Wärmezufuhr mittels eines Wärmeaustauschers auf die Ausgangstemperatur erwärmbar ist.
Bei der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine wird mit
einer bei der Arbeitstemperaturen verdampfbaren
Flüssigkeit in einem geschlossenen System gearbeitet. Die
Flüssigkeit wird nacheinander in zwei Nichtgleichgewicht
zustände, überhitzte Flüssigkeit und später unterkühlter
Dampf gebracht. Der Kreisprozeß enthält die Übergänge
zwischen diesen Nichtgleichgewichtszuständen. Es hat sich
experimentell gezeigt, daß dabei die positive
Arbeitsleistung, nämlich die im Uhrzeigersinn umlaufende
Fläche des p-V-Diagramms (p=Druck, V=Volumen) besonders
groß wird.
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der
Unteransprüche.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter
Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher
erläutert.
Bild 1 zeigt Isothermen in einem normierten
p-V-Diagramm eines realen Gases
nach Van der Waals.
Bild 2 bis 5 zeigt die verschiedenen Arbeitsphasen
der Wärmekraftmaschine.
Bild 6 zeigt das p-V-Diagramm der
Wärmekraftmaschine.
Bild 7 zeigt Einzelheiten des Aufbaus der
Wärmekraftmaschine.
Wird z. B. Wasser sehr vorsichtig erwärmt, so kann es z. B.
unter Luftdruck weit wärmer als 100°C werden, ohne daß es
siedet. Man spricht dann von einer "überhitzten
Flüssigkeit". Der gleiche Zustand kann erzeugt werden,
wenn bei gegebener Temperatur der Druck abgesenkt wird.
Hierbei ist es möglich, etwa Wasser unter Zugspannung
(negativer Druck) von bis zu -40 bar zu setzen, ohne daß
es siedet.
Fängt nun eine solche überhitzte Flüssigkeit an zu sieden,
so geht sie spontan in einen Dampfzustand über, ohne daß
dabei noch Wärme zugeführt werden müßte. Die
erforderliche Verdampfungswärme kommt dabei aus dem schon
vorhandenen Überschuß an Wärme, der durch die Überhitzung
in der Flüssigkeit steckt. Der Vorgang der Verdampfung
kann somit "adiabat" ablaufen.
Das erstaunliche dabei ist, daß diese Verdampfung nicht
in den Gleichgewichtszustand übergeht, also einen Druck
annimmt, der der herrschenden Temperatur nach der
Dampfdruckkurve entspricht, sondern zumindest bei Wasser
wesentlich höhere Drücke erreicht. In den Anfängen der
Dampfmaschinentechnik war dies ein gefürchtetes Phänomen,
bei dem anfänglicher Siedeverzug zu Kesselexplosionen
führen konnte. Die Kessel explodierten bei Wassertempera
turen, auf deren Gleichgewichtsdruck sie durchaus
ausgelegt waren.
Das Gegenstück zur überhitzten Flüssigkeit ist der
"unterkühlte Dampf". Dämpfe können entweder durch
Druckabsenkung oder durch Abkühlung weit unter den
Gleichgewichtszustand ihrer Taulinie gebracht werden, ohne
daß Kondensation eintritt. Geht dann aber ein solcher
Zustand in Kondensation über, spricht man von "spontaner
Kondensation". Diese unterscheidet sich von der normalen
Gleichgewichtskondensation dadurch, daß sie nicht auf das
Abführen der Kondensationswärme angewiesen ist. Der
unterkühlte Dampf hat gewissermaßen ein Wärmedefizit,
was ihn in die Lage versetzt, die Kondensationswärme
selbst aufzunehmen. Wie das spontane Verdampfen kann
deshalb auch die spontane Kondensation adiabat verlaufen.
Beide Vorgänge entspringen einem "gehemmten" Zustand, der,
nachdem die Hemmung erst einmal überwunden ist, wie ein
Kippvorgang eine spontane Eigendynamik entwickeln.
Die mathematische Beschreibung dieser Zustände ist durch
die Van der Waalssche Zustandsgleichung gegeben. Diese
stellt wie die allgemeine Gasgleichung eine Zustands
funktion zwischen p, V und T dar. Unterhalb des kritischen
Punktes durchlaufen bei ihr die Isothermen in einem
p-V-Diagramm ein Minimum und ein Maximum und nehmen für
einen bestimmten Druck 3 verschiedene Volumina an. (Bild
1, Punkte a, c, e). Dabei ist a das Volumen der
Flüssigkeit (V′), e das Volumen des Dampfes (V′′) und c
das Volumen eines Zwischenzustandes. In der Literatur wird
durchgehend angegeben, daß dieser Zustand in der Praxis
nicht erzeugbar sei. Das stimmt nur insofern, als dieser
Zustand als Gleichgewichtszustand nicht erzeugbar ist. Er
kann aber ganz real durchlaufen werden mittels der oben
beschriebenen Kippvorgänge beim spontanen Sieden und bei
der spontanen Kondensation.
Beide Vorgänge sind auf einen Wärmeaustausch mit der
Umgebung während ihres Ablaufs nicht angewiesen, und - was
hier das entscheidende ist - sie gehen nicht in einen
zugehörigen Gleichgewichtszustand über, sondern in den
jeweils anderen Ungleichgewichtszustand. Aus der
überhitzten Flüssigkeit wird spontan unterkühlter Dampf
und umgekehrt. Diese Zustände und ihre Eigendynamik lassen
sich nun verwenden für einen maschinentechnisch
realisierbaren Kreisprozeß, bei dem Wärme in Arbeit
umgewandelt wird.
Im Folgenden soll der Kreisprozeß und seine Realisierung
prinzipiell unter Verwendung einer Kolbenmaschine
beschrieben werden. Anschließend werden einige Details
beschrieben, die zur Verbesserung der Maschinenfunktion
führen.
Die Kolbenmaschine ist so auszulegen, daß der Kolbenraum
in der oberen Kolbenstellung ein geeignetes kleines
Restvolumen aufweist. Dieses Restvolumen ist gefüllt mit
einer geeigneten Flüssigkeit wie z. B. Wasser, Ammoniak,
Propan, Kohlendioxid o. ä. Es herrscht dann in dem Raum der
Dampfdruck der Flüssigkeit bei gegebener Temperatur. (Bild
2, Zustand a). Geht nun der Kolben nach unten, so sinkt
der Druck ab und die Flüssigkeit wird, obwohl sich ihre
Temperatur nicht ändert, überhitzt. Druck und Temperatur
stehen nicht mehr im Gleichgewicht. (Bild 3, Zustand b).
Hat dies Ungleichgewicht ein gewisses Maß erreicht, setzt
spontane Verdampfung ein und der Druck steigt wieder an.
Dieser hohe Druck treibt den Kolben unter Arbeitsleistung
nach unten. (Bild 4, Zustand c). Bei Messungen hat sich
gezeigt, daß bei Wasser unter 150°C der Druck während der
Expansion über den Ausgangsdruck ansteigt. Bei Ammoniak
und Propan bei Zimmertemperatur fällt der Druck anfänglich
auf ca. 5 bar ab um dann während der ganzen Kompressions
phase nahezu gleichmäßig auf ca. 6 bar anzusteigen.
In der unteren Stellung ist nun der Kolben festzuhalten um
die einsetzende spontane Kondensation abzuwarten. Hier
haben sich in der Praxis Wartezeiten von 1-2 sec.
ergeben. Während dieser Zeit sinkt der Druck ganz
erheblich ab, bei Ammoniak von 6 auf 0,2 bar. (Bild 4,
Zustand d).
An dieser Stelle sei auf ein wichtiges Detail hingewiesen.
Die anfängliche Flüssigkeitsmenge ist so genau zu
bestimmen, daß sie gerade beim unteren Totpunkt
vollständig verdampft ist. Ist zuwenig Flüssigkeit
vorhanden, sinkt der Druck während der Expansionsphase
vorzeitig ab, was zu einer geringeren Arbeitsleistung
führt. Ist zuviel vorhanden, verdampft der Rest nach und
wirkt damit der Druckabsenkung entgegen, auch dies führt
zu einem Arbeitsverlust.
Nach abgeschlossener spontaner Kondensation wird der
Kolben wieder nach oben geführt und der Restdampf wird
komprimiert. (Bild 5, Zustand e). Dabei steigt der Druck
über den Ausgangsdruck an, wodurch auch der Restdampf
kondensiert. Damit ist der Ausgangszustand wieder
hergestellt bis auf einen wichtigen Punkt, daß nämlich
das Kondensat kälter ist als zu Anfang. Es muß also noch
Wärme von außen übergehen, um die Anfangsbedingungen zu
erreichen.
Dieser ganze Zyklus läßt sich am besten in einem p-V-Dia
gramm verfolgen. (Bild 6). Vom Ausgangspunkt a sinkt der
Druck bei der Expansion anfänglich rasch ab, um dann
wieder anzusteigen. Beim größten Kolbenvolumen sinkt der
Druck ab, um mit der Kompression wieder anzusteigen. Dabei
kreuzen sich Expansions- und Kompressionskurve. Dadurch
bildet das p-V-Diagramm zwei Flächen. (A und B). Fläche A
wird rechtsläufig umfahren, das heißt, sie stellt einen
Arbeitsgewinn dar; Fläche B wird linksläufig umfahren, das
heißt, sie stellt einen Arbeitsverlust dar. Der Arbeits
gewinn des gesamten Zyklus ist damit gleich der Differenz
der Flächen A-B.
Messungen haben ergeben, daß hier ein hoher Wirkungsgrad
erzielt werden kann.
Obwohl die Maschine wie beschrieben mit Wasser durchaus
funktionsfähig ist, ist für andere Stoffe die im Bild
dargestellte Erweiterung vorteilhaft. Damit werden vier
wesentliche Verbesserungen erreicht:
- 1. Es wird eine rasche und vollständige Verdampfung erreicht.
- 2. Eine genaue Dosierung der Flüssigkeitsmenge wird ermöglicht.
- 3. Die negative Druckspitze am Ende der Kompression wird verhindert.
- 4. Ein guter Wärmeübergang von außen auf die Flüssigkeit wird ermöglicht.
Der Kolbenraum steht über ein Rückschlagventil mit einem
"Pufferraum" in Verbindung. In diesem Raum herrscht der
Dampfdruck bei der gegebenen Temperatur. Erreicht die
Kompressionskurve diesen Druck, öffnet sich das
Rückschlagventil und der Dampf entweicht in den Pufferraum
ohne Bildung der Druckspitze. Der Pufferraum kann beliebig
groß sein und gibt damit die Möglichkeit, durch große
Wärmetauscherflächen das Kondensat nahe an die Temperatur
zu erwärmen, mit der die Zuwärme zur Verfügung steht.
(z. B. Zimmertemperatur bei Ammoniak).
Das Kondensat fließt dann erwärmt in eine Dosierpumpe und
von dort über eine Leitung in eine Einspritzdüse, bei der
die handelsüblichen Dieseldüsen sehr brauchbar sind. Diese
sind verschlossen und öffnen erst bei Druckbeaufschlagung
durch das einzuspritzende Medium. Die Dosierpumpe muß nun
so angesteuert werden, daß bei heruntergehenden Kolben
eine exakt bemessene Flüssigkeitsmenge gefördert wird.
Auch hier ist die ausgereifte "Dieseltechnik" verwendbar.
Claims (11)
1. Mit einem Kreisprozeß arbeitende Wärmekraftmaschine,
enthaltend
- a) einen durch einen beweglichen Wandungsteil abgeschlossenen Raum, dessen Volumen
- - in einer ersten Arbeitsphase von einem inneren Totpunkt durch Auswärtsbewegung der Wandungsteile bis zu einem äußeren Totpunkt vergrößert und
- - in einer zweiten Arbeitsphase durch Einwärtsbe wegung der Wandungsteile wieder auf das Ausgangsvolumen im inneren Totpunkt verkleinert wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
- b) in dem Raum eine Menge einer verdampfbaren Flüssigkeit bei einer Ausgangstemperatur vorgesehen ist,
- c) bei der Ausdehnung des Raumes in der ersten Arbeitsphase
- - zunächst adiabatisch der Druck der Flüssigkeit verringert wird, so daß eine überhitzte Flüssigkeit entsteht,
- - bei weiterer Ausdehnung des Raumes eine spontane Verdampfung der überhitzten Flüssigkeit eintritt, so daß die bewegliche Wandung durch den entstehenden Druck unter Arbeitsleistung nach außen gedrückt wird, wobei sich der Dampf abkühlt und einen unterkühltem Dampf bildet,
- d) Mittel zur Einleitung einer spontanen Kondensation des unterkühlten Dampfes, so daß ein plötzlicher Druckabfall in dem Raum eintritt,
- e) die beweglichen Wandungsteile unter Kondensation des Restdampfes zum inneren Totpunkt bewegbar sind und
- f) das abgekühlte Kondensat durch Wärmezufuhr mittels eines Wärmeaustauschers auf die Ausgangstemperatur erwärmbar ist.
2. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Einleitung der spontanen
Kondensation die Bewegung der beweglichen
Wandungsteile im unteren Totpunkt für eine vorgegebene
Zeitspanne angehalten wird.
3. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der abgeschlossene Raum einen
Zylinder umfaßt und die beweglichen Wandungsteile von
einem in dem Zylinder gleitbeweglichen Kolben gebildet
sind.
4. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der abgeschlossene Raum mit einem
Flüssigkeitsreservoir verbunden ist, welches mit dem
Zylinder über ein Rückschlagventil verbunden ist, so
daß bei der Bewegung des Kolbens zum oberen Totpunkt
hin Restdampf mit kondensierter Flüssigkeit über das
Rückschlagventil in das Flüssigkeitsreservoir gedrückt
wird, und daß Flüssigkeit aus dem Flüssigkeits
reservoir durch eine Dosierpumpe und eine
Einspritzdüse wieder in den Zylinder einspritzbar ist.
5. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher zwischen
Rückschlagventil und Flüssigkeitsreservoir angeordnet
ist.
6. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die bei jedem Zyklus in
dem abgeschlossenen Raum enthaltene Menge der
verdampfbaren Flüssigkeit so bemessen ist, daß sie im
äußeren Totpunkt der beweglichen Wandungsteile gerade
vollständig verdampft ist.
7. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die verdampfbare
Flüssigkeit Wasser ist.
8. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die verdampfbare
Flüssigkeit Ammoniak ist.
9. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die verdampfbare
Flüssigkeit Propan ist.
10. Wärmekraftmaschine nach einer der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die verdampfbare
Flüssigkeit Kohlendioxid ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19914101500 DE4101500A1 (de) | 1991-01-19 | 1991-01-19 | Waermekraftmaschine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19914101500 DE4101500A1 (de) | 1991-01-19 | 1991-01-19 | Waermekraftmaschine |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4101500A1 true DE4101500A1 (de) | 1992-07-23 |
Family
ID=6423318
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19914101500 Withdrawn DE4101500A1 (de) | 1991-01-19 | 1991-01-19 | Waermekraftmaschine |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4101500A1 (de) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4244016A1 (de) * | 1992-12-24 | 1994-07-07 | Ecenal Scient Firm Ltd | Mit einem Kreisprozess arbeitende Wärmekraftmaschine |
DE19608300A1 (de) * | 1996-02-26 | 1997-08-28 | Doekowa Ges Zur Entwicklung De | Mit einem Kreisprozeß arbeitende Wärmekraftmaschine |
GB2452904A (en) * | 2007-05-29 | 2009-03-25 | William St George Vesy Stoney | Adiabatic decompression cycle |
DE102008019906A1 (de) | 2007-10-14 | 2009-04-16 | Ingelheim, Peter, Graf Von | Wärmekraftwerk für Dämpfe und seine Prozesse |
-
1991
- 1991-01-19 DE DE19914101500 patent/DE4101500A1/de not_active Withdrawn
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4244016A1 (de) * | 1992-12-24 | 1994-07-07 | Ecenal Scient Firm Ltd | Mit einem Kreisprozess arbeitende Wärmekraftmaschine |
DE19608300A1 (de) * | 1996-02-26 | 1997-08-28 | Doekowa Ges Zur Entwicklung De | Mit einem Kreisprozeß arbeitende Wärmekraftmaschine |
GB2452904A (en) * | 2007-05-29 | 2009-03-25 | William St George Vesy Stoney | Adiabatic decompression cycle |
GB2452904B (en) * | 2007-05-29 | 2010-01-20 | William St George Vesy Stoney | Adiabatic decompression cycle |
DE102008019906A1 (de) | 2007-10-14 | 2009-04-16 | Ingelheim, Peter, Graf Von | Wärmekraftwerk für Dämpfe und seine Prozesse |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8130 | Withdrawal |