DE4432559A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von mechanischer Energie aus Wärmeenergie be­ liebigen Ursprungs, insbesondere in der Umgebung vorhandener Wärmeenergie und Abwärme, gemäß dem Oberbegriff des Hauptan­ spruchs 1.

Bei den bekannten, weit verbreiteten Wärmekraftmaschinen wird für einen wirtschaftlichen Betrieb und zur Erreichung eines möglichst guten Wirkungsgrades, stets ein großes Wärmegefälle benötigt. Der Wirkungsgrad η dieser Art der Um­ wandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie, welche dem im Uhrzeigersinn durchlaufenden Carnot-Prozeß entspricht, ist bekanntermaßen stets kleiner als 1. In der Praxis werden Wirkungsgradwerte bis zu ca. 40%; in einigen Sonder­ fällen, bei entsprechend hohen Anforderungen an Technik und Material, bis ca. 50% erreicht.

Die Umsetzung von Wärmeenergie mit relativ niedriger Tempera­ tur bzw. kleinen Temperaturunterschieden in mechanische Energie und die Umwandlung des in der Umgebung befindlichen Wärmereservoirs (Anergie) in kinetische Energie, hat bis­ her kaum eine größere wirtschaftliche Bedeutung erlangt.

In der DE-OS 26 59 352 wird ein thermischer Antrieb vorge­ schlagen, bei welcher eine Kraftmaschine und eine Ladepumpe mit einem Wärmetauscher derart verbunden sind, daß bei Zu­ fuhr von Wärme eine Volumenszunahme im Wärmetauscher statt­ findet, die das System antreibt und mechanische Energie er­ zeugen soll.

Ein weiterer Vorschlag zur Umwandlung von Wärmeenergie niedriger Wertigkeit in mechanische Energie ist in der DE-OS 39 39 779 beschrieben. Dabei wird eine Flüssigkeitsmasse abwechselnd und gegenläufig von einem kalten Zylinder in einen warmen Zylinder und umgekehrt, befördert. Durch Erwärmen der Arbeitsflüssigkeit bei jedem Arbeitstakt, wird aufgrund der unterschiedlichen Projektionsflächen der Kolben, mechanische Energie erzeugt.

Die DE-OS 40 15 879 schlägt ein Verfahren zur mechanischen Energieerzeugung aus Wärmeenergie vor, indem sich ein fester Körper durch Wärmeeinwirkung taktmäßig ausdehnt und sich durch Kälteeinwirkung zusammenzieht, wobei der niedrige Wirkungs­ grad bei Dehnung und Schrumpfung, durch zusätzlichen Einbau einer Wärmepumpe und einer Kältemaschine angehoben werden soll.

Eine wirtschaftliche Anwendung dieser Vorschläge erscheint nicht realisierbar, da der Gewinn an kinetischer Energie eine bedeutende Dimension nicht aufweist und ggf. beim Betrieb mit geringen Temperaturdifferenzen die Eigenreibung der Vorrich­ tungen nicht überwunden wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu verwirklichen, um eine wirtschaftliche Erzeugung von mechanischer Energie, aus Wärmeenergie allge­ mein und insbesondere aus Wärmeenergie niedriger Wertigkeit, wie Umgebungswärmeenergie, zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes gehen aus den Merkmalen der Unteransprüche und der Beschrei­ bung hervor.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile liegen in der Mög­ lichkeit, kinetische Energie aus Wärmeenergie beliebiger Art, jedoch in erster Linie aus einem Wärmepotential niedriger Temperatur und Wertigkeit, wirtschaftlich und ergiebig zu erzeugen.

Bei der Erzeugung von mechanischer Energie aus Umgebungswär­ meenergie (Anergie), wird die als Folge der Energieentnahme verursachte Abkühlung unter die Umgebungstemperatur, das der Natur entzogene Energiepotential, zu einem späteren Zeitpunkt der Natur insbesondere als Wärmeenergie, wieder zurückgege­ ben. Daher besitzt der erfindungsgemäße Kreisprozeß eine vor­ teilhafte, neutrale Energiebilanz ohne Abgabe von Abfallwärme oder anderen schädlichen Substanzen in die Atmosphäre. Als weitere bedeutsame Vorteile gelten die Einsparung von begrenzt vorhandener Primärenergie, sowie die in jeder Hinsicht unge­ fährliche Art der erfindungsgemäßen Umwandlung von Wärmeener­ gie in wertvolle mechanische Energie.

Im folgenden werden die Erfindung und die thermodynamischen Gegebenheiten näher erläutert und anhand eines Ausführungs­ beispieles verdeutlicht. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Grundprinzips der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der erweiterten er­ findungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung der carnot′schen Leist­ ungszahl ε, bezogen auf die Verdichtung des Arbeitsdampfes,

Fig. 4 ein Versuchsdiagramm zur Darstellung der Tempera­ turanhebung des Arbeitsmitteldampfes bei dessen Komprimie­ rung, am Beispiel von Propan und

Fig. 5 ein Diagramm zur Darstellung der inneren und der äußeren Verdampfungswärmen des Verdampfungsvorganges im Verdampfer, am Beispiel von Propan.

Im Verdampfer (1) wird das Arbeitsmittel unter Aufnahme von Wärmeenergie verdampft (nachfolgend als Quelldampf benannt). Die für den Verdampfungsvorgang des Arbeitsstoffes im Ver­ dampfer (1) benötigte Energie, wird dem Verdampfer (1) in Form von Wärmeenergie beliebigen Ursprungs zugeführt, z. B. Sonnenenergie direkt und indirekt, Abwärme jeder Art u. a., vorzugsweise jedoch Umgebungswärmeenergie niedriger Temperatur und Wertigkeit (Anergie), wobei in diesem Falle die Energie­ entnahme durch Abkühlung des Mediums unter die Umgebungstem­ peratur erfolgt.

Als Arbeitsmittel ist jeder Stoff geeignet, unter der Voraus­ setzung, daß der Arbeitsstoff der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung, bei den verschiedenen Zuständen, denen er unterworfen wird, seinen Aggregatzustand vom flüssigen in den dampfförmi­ gen und umgekehrt, zu ändern in der Lage ist.

Es kann je nach Temperatur- und Druckniveau und der Art des eingesetzten Arbeitsstoffes, im Überdruckbereich wie auch im Unterdruckbereich gearbeitet werden. Arbeitsstoffe für den Überdruckbetrieb sind z. B. solche, die in der Kältetechnik eingesetzt werden, wie Ammoniak, Propan, FCKW, HFCKW, FKW, HFKW, CO₂, u. a.; für den Unterdruckbereich kommen Stoffe wie Wasser und Alkohole in Frage.

Die Volumensvergrößerung im Verdampfer (1) als Folge der Änderung des Arbeitsstoffes vom flüssigen in den dampfförmi­ gen Zustand, entspricht der Volumenausdehnungsarbeit. Ent­ sprechend den spezifischen Voluminas des flüssigen- und dampfförmigen Aggregatzustandes, ergeben sich z. B. bei den Arbeitsstoffen Propan (bei 0°C) ein ca. 52faches, bei Ammoniak (-5°C) ein ca. 225faches und bei Wasser (100°C) ein ca. 1600faches Volumen.

Der den Verdampfer (1) verlassende Quelldampf mit der Tem­ peratur T1 und dem Druck P1, wird nachfolgend einer Verdich­ tung unterzogen, um damit das Arbeitsmittel auf das Druck- und Temperaturniveau P2, T2 zu erhöhen. Dabei erfolgt die Kompri­ mierung um einen Betrag, welcher die Funktion des Kreislaufs der erfinderischen Vorrichtung sicherstellt und dem Kreispro­ zeß, je nach Einsatzzweck, eine akzeptable und optimale Ab­ laufgeschwindigkeit verleiht.

Vorzugsweise ist die Verdichtung des Quelldampfes im Ver­ dichter (2) soweit in Grenzen zu halten, daß sich bei diesem Teilprozeß, welcher einem linksläufigen Carnotprozeß ent­ spricht, eine möglichst hohe Leistungszahl ε ergibt. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, zeigt die Leistungszahl ε = T2/(T2-T1) eine, zur Höhe der erzielten Temperaturdifferenz gegenläufige Charakteristik, wobei T1 die aus dem Verdampfer (1) austretende Quelldampftemperatur und T2 die Temperatur des den Verdichter (2) verlassende dampfförmige Arbeitsmittel darstellt.

Somit resultiert aus diesem Teilabschnitt des Kreislaufs, ent­ sprechend der Höhe der Leistungszahl ε, auf dem Temperatur- und Druckniveau T2/P2 ein Vielfaches an Wärmeenergie, als an kineti­ scher Energie im Verdichter (2) verbraucht wurde. Die Kompri­ mierung des Quelldampfes ist daher erfindungsgemäß zur Erbring­ ung einer hohen Leistungszahl ε, soweit möglich zu begrenzen und zu optimieren.

Mit der vergleichsweise geringfügigen Hebung des Druck- und Temperaturniveaus des Quelldampfes, ist die Voraussetzung ge­ geben, die dem Arbeitsmitteldampf beinhaltende Verdampfungs­ wärmeenergie für weitere Schritte zu nutzen. So wird das dem Kreislauf zur Verfügung stehende Wärmeenergiepotential aus diesem Verdichtungsvorgang, genutzt, um damit zur Erzeugung von zusätzlicher Volumenausdehnungsarbeit, das Arbeitsmittel einer weiteren Verdampfung zu unterziehen; des weiteren dient es in Verbindung mit weiteren Verfahrensschritten der Abgabe von kinetischer Energie nach außen und wie schon erwähnt, der Aufrechterhaltung des Kreislaufes.

Die Antriebsenergie für den Verdichter (2) wird erfindungs­ gemäß, ganz oder teilweise, von der vom Kreislauf erzeugten kinetischen Energie gespeist, indem ein Teil des vom Druck­ übersetzer (5) verdichteten Mediums abgezweigt und vorzugswei­ se über einen Puffer (6) zurückgeführt wird. Um für das Anfah­ ren des Kreislaufes einen Energiespeicher zur Verfügung zu haben, ist für die Startphase zum Antrieb des Verdichters (2) der Puffer (6) vorgesehen.

Der Antrieb des Verdichters (2) kann für die Startphase, den teilweisen Antrieb oder den Dauerbetrieb, auch von außen in beliebiger Art erfolgen.

Wegen des relativ geringen Verdichtungsgrades ist die Möglich­ keit gegeben, daß bereits bei kleineren Anlagen, anstelle von Kolbenverdichtern, Turbinen- und Schraubenverdichter Anwendung finden. Auch auf Förderdruck optimierte, preiswerte Hochdruck­ ventilatoren mit rückwärts gekrümmten Schaufeln, können zur Erzeugung des nötigen Verdichtungsdruckes dienen.

Der nachgeordnete Druckübersetzer (5) hat die Aufgabe, soweit erforderlich und je nach Einsatzzweck, den Arbeitsmitteldampf oder einen Teil davon, vom Druck P2 auf den Druck P3 zu über­ setzen oder/und Fremdmedium z. B. Luft zu komprimieren bzw. zu entspannen. Er formt den im Verdampfer (1) erzeugten und im Verdichter (2) komprimierten Arbeitsdampf oder Fremdmedium, um in ein anderes Druckniveau. Das Druckübersetzungsverhältnis des Druckübersetzers (5) kann je nach Einsatzzweck beliebig ausgelegt sein, auch 1 : 1 oder kleiner (Druckreduzierung), wobei bei einem Übersetzungsverhältnis von 1 : 1 eventuell auf den Druckübersetzer (5) verzichtet werden kann.

Weitere Aufgabe des Druckübersetzers (5) ist es, einen Teil der erzeugten Energie für die bereits erwähnte Rückführung zum Verdichter (2) bereitzustellen, um diesen teilweise oder vollständig anzutreiben, sofern der Antrieb nicht anderweitig erfolgt. Außerdem kann die Abgabe von kinetischer Energie nach außen, vorteilhaft vom Druckübersetzer (5) erfolgen.

Der Druckübersetzer (5) kann in Anlehnung an bekannten Druck­ übersetzungssystemen in der Hydraulik und Pneumatik ausgeführt werden, wie z. B. Kolbenkonstruktionen (Arbeitsweise im Prinzip mit in einem Zylinder beweglichen Kolben mit zwei verschieden großen Kolbenflächen), sowie Flügelzellen-, Zahnrad-, Schrau­ ben-, Kreiskolben-, Drehkolbenbauarten u. a. in Zweidruckstu­ fenbauweise, gegebenenfalls in Doppel- bzw. Tandemanordnung.

Dem Druckübersetzer (5) nachgeordnet ist der Kondensator (3), welcher die Aufgabe hat, den Arbeitsmitteldampf, soweit er als Rückführungsdampf aus Rückstellbewegungen vorliegt, zu ver­ flüssigen. Weiterhin ist es Aufgabe des Kondensators (3), den vom Verdichter (2) komprimierten Teil des Arbeitsdampfes, der für den weiteren, bereits erwähnten Teilprozeß zur Erzeugung von zusätzlicher Volumenausdehnungsarbeit vorgesehen ist, zu verflüssigen.

Rückführungsdampf kann im Druckübersetzer (5) (z. B. Rückbe­ wegung des Kolbens und dgl.), im Antriebselement des Verdich­ ters (2) oder ggf. auch von anderen Bereichen der erfinderi­ schen Vorrichtung entstehen. Die Rückführung von Arbeitsmit­ tel wird erreicht, indem es in den Bereich des niedrigeren Energieniveaus des Kreisprozesses, vorzugsweise durch Ver­ flüssigung, zurückgeführt wird.

Die den Kondensator (3) verlassende Arbeitsflüssigkeit gelangt zum Drosselorgan (4) und wird soweit nötig, entspannt auf den Druck P1 zum Eingang in den Verdampfer (1) bzw. (7).

Die im Verflüssiger (3) entstehende Kondensationswärmeenergie wird zum Verdampfer (7) und gegebenenfalls Verdampfer (1) ge­ leitet, wo sie dort zum Zwecke der Erzeugung von Volumenaus­ dehnungsarbeit, einen weiteren Verdampfungsvorgang bewirkt. Der Verdampfer (7) ist vorteilhaft als Direktverdampfer ausge­ führt. Soweit der Verdampfer (1) als Direktverdampfer reali­ siert ist, wird die aus der Umgebungswärme betriebene Ver­ dampfung, wie auch die aus dem Kreislauf resultierende Ver­ dampfung, zu einem Verdampfungsprozeß zusammengefaßt.

Je nach Einsatzzweck kann die Kondensationswärme des Verflüs­ sigers (3) auch nach außen abgeführt werden.

Die vom Kreislauf resultierende kinetische Energie, welche im wesentlichen aus der im Verdampfer produzierten Volumenaus­ dehnungsarbeit, in Kombination mit der bei der Quelldampfver­ dichtung entstehenden hohen Leistungszahl ε anfällt, kann an mehreren Stellen dem Kreisprozeß entnommen werden.

Eine Energieentnahmestelle bietet die Volumenausdehnungsarbeit aus dem Verdampfungsprozeß, da nur ein Teil zur Aufrechterhal­ tung des Kreislaufs benötigt wird; des weiteren ist vorteil­ haft der Druckübersetzer (5) zur Abgabe von kinetischer Ener­ gie geeignet. Ein Teil der gewonnenen Energie wird für den bereits erwähnten Antrieb des Verdichters (2) verbraucht, um ihn teilweise oder vollständig anzutreiben. Der verbleibende Bestandteil an kinetischer Energie wird als Überschußpotential abgegeben und bildet die mit dem erfindungsgemäßen Kreisprozeß erzeugte mechanische Arbeit.

Da sich der gesamte Kreisprozeß an ein verändertes Tempera­ turniveau, entsprechend einem verändernden Temperaturniveau der aufnehmenden Umgebungswärmeenergie im Verdampfer (1), als ein weiteres Merkmal der Erfindung, auch selbsttätig anpassen kann, muß in diesem Falle das Drosselorgan (4) mit einer Nach­ regulierungsmöglichkeit ausgestattet sein, die einer eintre­ tenden Änderung der Umgebungstemperatur Rechnung trägt. Dabei kommt es zu einer entsprechenden Änderung des Druck­ niveaus im Kreislauf.

Diese Anpassung kann beispielsweise durch ein mechanisch oder elektronisch gesteuertes thermostatisches Regelventil erfolgen, das die veränderten Druckverhältnisse im Kreislauf, in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur regelt.

Die erfinderische Vorrichtung kann als geschlossener, wie auch als offener Kreislauf ausgeführt werden.

Die energetische Bilanz der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des Verfahrens zur Erzeugung von mechanischer Energie aus Wärmeenergie wird wie folgt erläutert:
Die relativ geringfügige Temperatur- bzw. Druckanhebung des aus dem Verdampfer (1) austretenden Quelldampfes im Verdich­ ter (2) erfordert, verglichen zu dessen Verdampfungswärme­ potential, nur einen kleinen kinetischen Energiebetrag. Für diesen Teilprozeß, einen gegen den Uhrzeigersinn ablaufenden Carnotprozeß, beträgt die Leistungszahl ε, wie aus Fig. 3 zu entnehmen ist ε = T2/(T2-T1), wobei T1 die aus dem Verdampfer austretende Quelltemperatur und T2 das den Verdichter (2) ver­ lassende dampfförmige Arbeitsmittel darstellt.

Beträgt die für die Sicherstellung des Kreisprozesses im Nor­ malfall ausreichende Temperaturerhöhung z. B. fünf K, so resul­ tiert daraus eine Leistungszahl ε = 278/(278-273) = 55,6 (be­ zogen auf Quelldampftemperatur von 0°C) (Fig. 3). Damit wird dem Kreislauf ein ca. 55faches Wärmeenergiepotential zur Ver­ fügung gestellt, als für die Komprimierung des Quelldampfes im Verdichter (2) an kinetischer Energie verbraucht wurde.

Entsprechende Versuche haben überraschenderweise gezeigt, daß die praktische Leistungszahl ε dieses Teilprozesses, bei adiabatischer Verdichtung, wegen der Überhitzung sogar noch etwas höher liegt.

Die dazugehörende Quelldampfdruckerhöhung um ca. 0,8 bar liefert eine Temperaturerhöhung von ca. 9 K (Fig. 4 obere Kur­ ve (= Überhitzungstemperatur)) und bezogen auf die Sätti­ gungstemperatur ca. 5 K (Fig. 4 untere Kurve). Wegen des ge­ ringen Energieanteils der Überhitzungsspitze muß daher bei der energetischen Bewertung auf die Sättigungstemperatur bezogen werden.

Beim Verdampfungsvorgang im Verdampfer, welcher sich zusammen­ setzt aus der inneren Verdampfungswärme, die zur Überwindung der molekularen Anziehungskräfte dient und der äußeren Ver­ dampfungswärme, welche die bei der Volumensvergrößerung ge­ leistete Arbeit verrichtet, bildet das äußere Verdampfungs­ wärmepotential die Volumenausdehnungsarbeit.

Am Beispiel des Arbeitsstoffs Propan sind in Fig. 5 die Ver­ dampfungswärmen dargestellt. Die obere Kurve zeigt die Gesamt­ verdampfungswärme und die untere Kurve stellt die äußere Ver­ dampfungswärme dar, welche ca. 10% bis 13% der Gesamtver­ dampfungswärme beinhaltet.

Die zu leistende Volumenausdehnungsarbeit beträgt somit für den Arbeitsstoff Propan (bei Temperatur 278 K): Druck mal Differenz aus spezifischem Volumen des Dampfes und der Flüs­ sigkeit : 556100 N/m² × (0,085 m³ - 0,0019 m³) = 45 990 Nm/kg. Das entspricht 45,99 kJ pro kg und ergibt ca. 12,5% der Ver­ dampfungswärme von 371,4 kJ/kg (Fig. 5).

Etwa der gleiche Volumenarbeitsbetrag ist bei der Kondensation des Arbeitsmittels, also der Volumenverkleinerung vom dampfförmi­ gen in den flüssigen Aggregatzustand, wirksam, um damit vor allem die Rückführung von im Kreislauf anfallendem Rückführdampf aus Rückstellbewegungen und dgl., sicherzustellen.

Die in Verbindung mit der durch die Quelldampfkomprimierung er­ möglichte Nutzung des Wärmeenergiepotentials des den Verdich­ ter (2) verlassenden Arbeitsdampfes, indem dieser je nach Bedarf einer erneuten Verdampfung unterzogen wird, resultiert aus dies Teilprozeß eine kinetische Energie von 12.5% der Verdampfungs­ wärmeenergie des Arbeitsmitteldampfes. Damit ist gewährleistet, daß dem Kreisprozeß immer genügend Arbeitsmitteldampf von geeig­ netem Temperatur- und Druckniveau zur Verfügung steht.

Aus der Quelldampfverdichtung im Verdichter (2) mit der hohen Leistungszahl ε von ca. 55 und der Volumenausdehnungsarbeit im Verdampfer (1) bzw. (7), resultiert für diesen Teilprozeß ein Energieüberschußfaktor von.
Volumenausdehnungsarbeit der Verdampfung im Verdampfer (1) (7) (ca. 12,5% der Verdampfungswärmeenergie) mal Leistungszahl ε der Quelldampfkomprimierung im Verdichter (2); ergibt einen Überschußfaktor von ca. 0,125 × 55 = 6,8.

Der Druckübersetzer (5), welcher von dem vom Verdichter (2) verlassenden Arbeitsdampf beaufschlagt wird, benötigt keinen separaten Antrieb von außen, lediglich die Reibung und auf­ tretende Rückstellbewegungen müssen beachtet werden.

Unter Berücksichtigung leistungsmindernder Faktoren, wie z. B. Reibung, Wärmeverluste, Energiebedarf des Verdichters (2), sofern dieser vom Energiepotential des Kreisprozesses betrie­ ben wird, u. a., besteht noch ein deutlicher Überschuß an kine­ tischer Energie, welche den erfindungsgemäßen Kreisprozeß mit Abgabe von mechanischer Arbeit sicherstellt.

Dies trifft auch zu, wenn die Komprimierung des Quelldampfes im Verdichter (2) und die damit bewirkte Temperaturerhöhung deutlich höher angesetzt ist.

Auch wenn aufgrund von bestimmten Gegebenheiten, die bei der Quelldampfverdichtung erzeugte Leistungszahl ε auf einen Wert von unter 8 bis 10 absinkt, so daß dann der Verdich­ ter (2) nicht mehr gänzlich vom eigenen Kreisprozeß angetrie­ ben werden kann, resultiert immer noch eine beträchtliche Energieeinsparung zu eingangs genannten, herkömmlichen Verfah­ ren.

An einem Ausführungsbeispiel soll die Erfindung weiter er­ läutert werden. Als Arbeitsmittel wird Propan gewählt.

Das flüssige Arbeitsmittel Propan wird bei niedriger Tempera­ tur von 0°C mit dem dazugehörigen Dampfdruck von 4,68 bar im Verdampfer (1) unter Aufnahme von Umgebungswärme beliebi­ ger Art, z. B. aus Luft, Wasser, Erdreich und dgl., etwa iso­ therm verdampft. Dabei nimmt das Arbeitsmittel eine Verdamp­ fungswärmeenergie von 378,7 kJ/kg auf.

Bei diesem Verdampfungsvorgang beträgt die äußere Verdamp­ fungswärme und damit die geleistete Volumenausdehnungsarbeit:
468366 Nm² (0,0974 m³/kg - 0,00188 m³/kg) = 44738 Nm/kg = ca. 45 kJ/kg, = ca. 12% der Verdampfungswärme. Damit be­ trägt die Raumausdehnung beim Verdampfungsprozeß im Verdamp­ fer (1), bezogen auf den flüssigen Aggregatzustand, entspre­ chend dem Quotienten der spezifischen Voluminas des flüssigen und dampfförmigen Arbeitsstoffes:
0,07885 m³/kg : 0,0023 m³/kg = ca. 52faches Volumen.

Der dampfförmige Arbeitsstoff gelangt zum Verdichter (2), in welchem etwa isotrop die Verdichtung des Quelldampfes vom Druck P1 = 4,68 bar auf den Druck P2 = 5,68 bar, entsprechend eines Verdichtungsverhältnisses von ca. 1,0 zu 1,22, reali­ siert wird.

Dabei erhöht sich die Temperatur des Dampfes um ca. 9 K auf 282 K (Fig. 4 obere Kurve). (Im Versuch wurde bei adiabater Verdichtung eine Temperaturerhöhung um 9,15 K ermittelt). Der die Sättigungstemperatur übersteigende geringe Energieinhalt der Überhitzungsspitze wird vernachlässigt und somit auf die zum Sättigungsbereich zugehörige Temperaturerhöhung von 6 K bezogen (Fig. 4 untere Kurve). Der die Sättigungskurve (Tem­ peratur/Entropie-Diagramm) überschreitende Bereich der Über­ hitzung ist daher energetisch von untergeordneter Bedeutung. Aus der Quelldampfverdichtung um 1 bar und der entsprechenden Temperaturerhöhung um 6 K, resultiert eine Leistungszahl von = T2/(T2 - T1) = 279/(279 - 273) = 46,5.

Damit steht dem weiteren Kreislaufbetrieb ein ca. 46faches Wärmeenergiepotential zur Verfügung, als kinetische Energie für die Quelldampfverdichtung verbraucht wurde.

Ein Teil des den Verdichter (2) verlassenden Arbeitsmittels wird unter Ausnutzung seines hohen Verdampfungswärmeenergie­ potentials, zum Zwecke der Erzeugung von weiterer Volumenaus­ dehnungsarbeit, einer erneuten Verdampfung unterzogen. Hierbei erfolgt zunächst im Kondensator (3) oder in dem weiteren Kondensator (8) die Verflüssigung des Arbeitsmit­ tels, wobei die dabei entstehende Kondensationswärme ins Freie, oder vorzugsweise zum Verdampfer (7) bzw. (1) geleitet wird, zur Unterstützung des dortigen Verdampfungsprozesses. Die den Kondensator (3) bzw. (8) verlassende Arbeitsflüssigkeit gelangt dann zum Eingang in den Verdampfer (1) bzw. (7), ggf. zur Druckabstimmung über ein Drosselorgan.

Mit diesem, aus Verdampfung - Verdichtung - Kondensation und Verdampfung bestehenden Teilprozeß zur Erzeugung von Volumen­ ausdehnungsarbeit, wird ein Überschuß an Raumausdehnungsar­ beit des Energieniveaus P2/T2 erzeugt von:
Produkt aus Leistungszahl ε der Quelldampfverdichtung und An­ teil der äußeren Verdampfungsarbeit beim Verdampfungsvorgang im Verdampfer (1) bzw. (7) = 46,5 × 0,12 = ca. 5,6 = Über­ schußfaktor des o.g. Teilprozesses.

Der weitere Anteil des den Verdichter (2) verlassenden Ar­ beitsmittels gelangt zum Druckübersetzer (7). Am Beispiel eines Kolbendruckübersetzers wird Arbeitsmitteldampf des Energieniveaus P2/T2 oder des Quelldampfniveaus P1/T1 oder Fremdmedium, wie z. B. Luft, Flüssigkeiten u. a., in ein anderes Druckniveau übertragen.

Dabei wird die größere Kolbenfläche des Druckübersetzers mit dem Arbeitsmitteldampf beaufschlagt, um das seitens der klei­ neren Kolbenfläche sich befindliche o.g. Medium zu komprimie­ ren.

Die hier gewonnene kinetischen Energie kann nun ganz oder teilweise nach außen als erfindungsgemäß erzeugte mechanische Arbeit abgeführt und anteilsweise für den Antrieb des Verdich­ ters (2) bereitgestellt werden.

Die zum Antrieb des Verdichters (2) abgezweigte Energie wird über den Puffer (6) zum Antriebselement des Verdichters (2) rückgeführt, wobei die erforderliche mechanische Energie vom druckübersetzten Arbeitsmitteldampf, wie auch vom o.g. Fremdmedium zugeleitet werden kann.

Der Energieinhalt des Puffers (6) ist für die Start- und An­ laufphase des Kreislaufs deponiert, soweit der Antrieb nicht durch außerhalb zugeführter Energie erfolgt.

Der als Folge von Rückstellbewegungen in der erfinderischen Vorrichtung anfallende Rückführdampf, z. B. bei Kolbenrückhol­ takten im Druckübersetzer (5), ggf. Verdichterantrieb, bei kinetischer Energieentnahme im Verdichter (7) und dgl., wird notwendigerweise abgeführt, indem dieser in den Bereich des niedrigeren Energieniveaus zurückversetzt wird und dort kon­ densiert.

Der nachfolgend angeordnete Verflüssiger (3) kondensiert den Arbeitsmittel- bzw. Rückführdampf. Die Volumenverkleinerungs­ arbeit bei dieser Kondensation beträgt analog dem Verdampf­ ungsvorgang ca. 45 000 Nm/kg, was einem Raumverkleinerungsfak­ tor von ca. 52 entspricht (reziprok der o.g. Verdampfung). Die im Verflüssiger (3) erzeugte Kondensationswärmeenergie wird im Verdampfer (7) zur Erzeugung von Volumenausdehnungs­ arbeit verdampft und es kann kinetische Energie auch aus die­ sem Teilabschnitt nach außen als erfindungsgemäß erzeugte, mechanische Arbeit abgeführt werden. Kinetische Energie kann somit von mehreren Stellen des Kreisprozesses entnommen wer­ den.

Die Möglichkeit, Verdampfer (7) mit Verdampfer (1) zu kombi­ nieren, ist gegeben, da die Verdampfungsparameter nahe bei­ sammen liegen.

Das den Verflüssiger (3) verlassende flüssige Arbeitsmittel gelangt zum Drosselorgan, welches den Druck auf das Niveau P1 zum Eingang in den Verdampfer (1) bzw. (7) regelt. Weitere Aufgabe des Drosselorganes ist es, den Arbeitsdruck entspre­ chend anzupassen und nachzuregeln, wenn die Verdampfungstem­ peratur im Verdampfer (1) aufgrund verändernder Umgebungs­ temperatur sich ändert. In diesem Falle arbeitet dann der gesamte Kreislauf im veränderten Temperatur- und Druckniveau, so daß eine automatische Anpassung an das Umgebungswärme­ energiereservoir, das die Verdampfung im Verdampfer (1) be­ wirkt, gegeben ist.

Verändert sich die eingangs des Ausführungsbeispiels genannte Verdampfungstemperatur von 0°C auf beispielsweise minus 5°C, weil sich die Umgebungstemperatur geändert hat, so vermindert sich der Verdampfungsdruck von 4,68 bar auf 4,01 bar und der gesamte Kreislauf arbeitet dann auf einem entsprechend niedri­ geren Druck- und Temperaturniveau.

Die mit der erfinderischen Vorrichtung erzeugte mechanische Arbeit kann beliebig Verwendung finden.

Ferner ist der direkte Einsatz als Kältemaschine gegeben, wenn sich die gesamte Vorrichtung auf Grund von Umgebungswärme­ mangel auf deutlich unter das Temperaturniveau der Umgebung abkühlt.

Claims (14)

1. Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von mechanischer Energie aus Wärmeenergie beliebigen Ursprungs, insbesondere in der Umgebung vorhandener Wärmeenergie und Abwärme, durch Verdampfung und Verflüssigung eines Arbeitsstoffes, im wesent­ lichen bestehend aus Verdampfer, Verdichter, Druckübersetzer, Verflüssiger und Drosselorgan, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der aus dem Verdampfer (1) bzw. (7) austretende Arbeitsdampf, im Verdichter (2) um einen Betrag verdichtet wird, welcher den Ablauf des Kreislaufes aufrechterhält, jedoch soweit begrenzt ist, daß aus diesem Verdichtungsvorgang eine möglichst hohe Leistungszahl ε resultiert,
• - ein Teil des den Verdichter (2) verlassenden Arbeitsstoffes im Kondensator (3) oder (8) verflüssigt und zur Erzielung von zusätzlicher Volumenausdehnungsarbeit, erneut einer Verdampf­ ung unterzogen wird,
• - der Druckübersetzer (5) mit einem weiteren Teil des den Ver­ dichter (2) verlassenden Arbeitsstoffes beaufschlagt und be­ trieben wird, um damit Arbeitsmitteldampf oder Fremdmedium, beispielsweise Luft, zwecks Erzeugung von mechanischer Arbeit, in ein anderes Druckniveau zu übersetzen,
• - für nötige Rückstellbewegungen im Druckübersetzer (5) und gegebenenfalls von weiteren Stellen des Kreislaufs, das die Rückstellung bewirkende dampfförmige Arbeitsmittel, durch Verflüssigung im Kondensator (3) die entsprechende Volumens­ verkleinerung zur Ermöglichung der Rückstellbewegungen, er­ langt,
• - das die Kondensatoren (3) und (8) verlassende flüssige Ar­ beitsmittel, soweit nötig, im Drosselorgan (4) für einen neuen Zyklus zum Eingang in den Verdampfer (1) bzw. (7) entspannt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdichtungsverhältnis zur Komprimierung des Quelldampfes im Verdichter (2) vorzugsweise 1 : 1,05 bis 1 : 2,0 und noch bevorzugter 1 : 1,1 bis 1 : 1,5 beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Komprimierung des Quelldampfes im Verdichter (2) so­ weit begrenzt ist, daß aus dieser Verdichtung eine Leistungs­ zahl ε resultiert, die größer als 8 ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb für den Verdichter (2) teils oder vollständig, von der vom Kreislauf erzeugten kinetischen Energie erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Puffer (6) kinetische Energie deponiert ist, welche zum Start des Verdichters (2) und der Anlaufphase des Kreis­ laufs dient.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die im Puffer (6) eingelagerte kinetische Energie dem Kreis­ lauf entstammt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (2) für die Startphase oder den Dauerbetrieb, aus einem Hochdruckventilator besteht.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Verflüssiger (3) und (8) entstehende Kondensations­ wärme zum Verdampfer (7) bzw. (1) geleitet wird, zur Unter­ stützung des Verdampfungsvorganges.

9. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselorgan (4) als Entspannungsmaschine, z. B. Turbine, aus­ gebildet ist und die damit erzielbare Arbeit dem Verdichter (2) zugeführt wird.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselorgan den Arbeitsmitteldruck des Kreislaufs in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur bzw. Verdampfungstemperatur des Verdamp­ fers (1) regelt.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (7) als Direktverdampfer ausgebildet ist.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Verdampfer (1) und (7) in einer Apparatur zusammengefaßt sind, soweit beide als Direktverdampfer oder Indirektverdampfer wirken.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoren (3) und (9) in einer Apparatur zusammengefaßt sind.

14. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Entnahme kineti­ scher Energie vom Druckübersetzer (5), wie auch von der Volu­ menausdehnungsarbeit des Verdampfungsprozesses im Verdamp­ fer (1) und (7) entnommen werden kann.