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Verfahren und Anlage zur Erzeugung von Arbeit aus Wärme Zur Umwandlung
von Wärme in Arbeit werden heute thermodynamische Kreisprozesse an Gasen oder Dämpfen
durchgeführt. Bei derWärmekraftmaschine hingegen, die den Gegenstand dieser Erfindung
bildet, wird ein solcher Kreisprozeß an einer Flüssigkeit vollzogen. Sie besitzt
gegenüber den bisher üblichen Wärmekraftmaschinen den Vorteil, daß mit höheren Drücken
gearbeitet werden kann. Dadurch ist sie leichter und kleiner, als wenn Gase oder
Dämpfe verwendet werden.
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Bei jeder wirtschaftlichen Wärmekraftmaschine hat die Wärmezufuhr
möglichst nur bei höchster, die Wärmeabfuhr aber nur bei tiefster Temperatur vor
sich zu gehen. Das ist aber gerade bei Flüssigkeiten leicht zu verwirklichen. Bei
Erwärmung eines Stoffes zeichnen sich ja zwei Haltepunkte deutlich ab, bei denen
nämlich trotz fortdauernder Wärmezufuhr die Temperatur nur sehr unwesentlich ansteigt.
Der eine dieser punkte ist der Schmelzpunkt oder Gefrierpunkt, der andere der Siedepunkt.
Beim Gefrierpunkt nimmt ja der Körper latente Wärme auf, und dicht unter und beim
Siedepunkt, besonders in der Nähe des kritischen Punktes, ist seine spezifische
Wärme ebenfalls ganz erheblich. Haltepunkte bedeuten aber offenbar eine Zustandsänderung,
bei der der Körper eine Isotherme beschreibt. Die hier vorgeschlagene Wärrnekraftmaschine
vollzieht an Flüssigkeiten (im angeführten Beispiel Wasser) eine Zustandsänderung,
die zwischen zwei Isothermen und zwei Isochoren liegt. Sie erfüllt damit die theoretischen
Voraussetzungen höchsten Wirkungsgrades, wenigstens mit großer Annäherung.
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Diese Zustandsänderung läßt sich bei Flüssigkeiten mit verschiedenen
technischen Hilfsmitteln durchführen. Es können dazu sowohl Kolbenmaschinen als
auch Kreiselmaschinen herangezogen werden. Man
kann sowohl mit Wärmeaustauschern
(für die Isobare) als auch mit Regeneratoren arbeiten. Die hier dargestellte Wärmekraftmaschine
greift aus der Fülle der Möglichkeiten nur ein Beispiel heraus, an dem sich das
vorgeschlagene Prinzip leicht veranschaulichen läßt. Sie benutzt eine Kolbenmaschine
zur Krafterzeugung, aber eine Wasserturbine zur Kraftentnahme. Zur Darstellung ihrer
Arbeitsweise dient die Abbildung. Sie ist nur schematisch und vereinfacht. Hierin
bedeutet: i Zylinder. Dieser ist symmetrisch, mehrstufig und so dickwandig, daß
er sehr hohen Druck auszuhalten vermag. An seinen beiden Enden ist er wärmeisoliert;
2 Kolben. Dieser ist ebenfalls mehrstufig und in den Zylinder derartig eingeschliffen,
daß er bei der Arbeitstemperatur saugend arbeitet. Hub z. B. i m. (Innen so weit
ausgehöhlt, daß er im Wasser schwimmt), 3 Lufterhitzer; 4 Ofen. In diesem wird flüssiges
Blei envärint. Es kann aber auch eine andere Flüssigkeit oder ein Salz verwendet
werden; 5 und 6 Regenerator. Er trägt oben die bleidurchflossene Heizschlange 26,
unten die kältelauge-oder kühlwasserdurchflossene Kühlschlange 27 und dazwischen
die Füllung 54 und 55 aus Metallstücken oder Ziegeln oder Raschingringen usw. ;
7 und 8 Windkessel für sehr hohen Druck, z. B. 5oo ata; 9 und io Windkessel für
tieferen Druck; ii Wasserturbine mit Zubehör; 12 Generator mit Zubehör; 13 kleine
Hochdruckpumpe. Sie dient zum Ausgleich von Verlusten. Eine gleiche Pumpe muß auch
zwischen den Windkesseln 9 oder io und 7 oder 8 liegen. Diese ist aber der Übersichtlichkeit
wegen, und da für das Prinzip unwesentlich, nicht eingezeichnet; 14 Motor für Antrieb
der Hochdruckpumpe 13; 15 und 18 Heißwasserraum zwischen Zylinder i und Kolben 2.
Sein größter Rauminhalt (bei Kolbenendstellung) sei z. B. 3 cbm; 16 und 17 Kaltwasserraum
zwischen Zylinder i und Kolben 2. Sein größter Rauminhalt sei z. B. i cbm; i9 und
2o Niederdruckwasserraum. Größter Rauminhalt z. B. 1o cbm; 21 und 22 Kaltwasserleitung;
23 und 24 Bleileitung (für 'flüssiges heißes Blei); 25 Laugeneintrittsleitung; 26
Heizschlange, von flüssigem heißem Blei durchflossen; 27 Kühlschlange,vorzugsweise
von Kältelauge durchflossen. Es kann aber auch anderes kaltes Wasser verwendet werden,
falls man auf den o°-Punkt als Isotherme verzichtet; 28 Laugenaastrittsleitung;
29Rauchgasablaßleitung; 3o Luftzutrittsleitung; 31 Rauchgasleitung (heiß) ; 32 Luftleitung
(heiß) ; 33 Brennstoffzufuhrleitung (falls nicht feste Brennstoffe verwendet werden)
; 34 Heißwasserleitung zwischen Heißwasserraum 15 (und 18) und Regenerator 5 (und
6) ; 35 Druckleitung der Hochdruckpumpe 13; 36 Saugleitung der Hochdruckpumpe 13;
37 bis 4o Niederdruckwasserleitungen; 41 bis 49 Ventile. Es können auch Schieber
oder Hähne verwendet werden. Sie werden zweckmäßig entlastet ausgeführt und z. B.
elektrisch durch Magnete so gesteuert und betätigt, daß Stopfbüchsen (wegen des
hohen Drucks) fortfallen (46 bis 49 können auch Rückschlagventile sein) ; 5o bis
53 Schwimmer in den Windkesseln; 54 und 55 Füllung der Regeneratoren. Sie besteht
aus Rohren oder Metallstücken oder Keramikstücken oder Raschingringen usw. ; 56
Brennkammer im Ofen 4. Vorstehende Ausführung beruht auf der Tatsache, daß Flüssigkeiten
im kritischen Punkt etwa das dreifache Volumen als das beim Erstarrungspunkt haben.
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Die Anlage arbeitet wie folgt: Alle Leitungen, alle Zylinderräume
und die Windkessel (teilweise) werden mit Wasser gefüllt, der Ofen 4 und die Bleileitungen
23 und 24 mit heißem flüssigen Blei.
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Nach dem Anheizen werden die überschüssigen Flüssigkeitsmengen abgelassen,
bis sich ein Gleichgewicht eingestellt hat, so daß also während der Arbeit jeder
Windkessel nur einen Teil seines Inhalts mit Flüssigkeit ausgefüllt hat. In den
Windkesseln werden z. B. folgende Drücke eingestellt: Windkessel 5oo ata, Windkessel
8: 230 ata, Windkessel 9: i ata, Windkessel io: 53 ata.
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Die Ventile 41 bis 44 und 46 bis 49 werden so gesteuert, daß die Hälfte
derselben stets offen, die andere Hälfte aber stets geschlossen ist. Die Umstellung
erfolgt dann für alle gleichzeitig nach Vollendung eines Einfachhubes, also bei
jederEndstellung desKolbens2. Es seien z. B. offen: Ventil 41, 44, 46 und 49. Nun
herrschen also im Heißwasserraum 15 und im Kaltwasserraum 17: 5oo ata, im Heißwasserraum
18 und im Kaltwasserraum 16: 230 ata, im Niederdruckwasserraum 20: 53 ata
und im Niederdruckwasserraum i9: i ata.
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Hat der Kolben 2 z. B. an den Enden je 1,96 m Durchmesser, in der
Mitte 4,21 m Durchmesser und dazwischen 2,26 m Durchmesser, so ist die freie Kolbenfläche
in den Heißwasserräumen 15 und 18 je 3 qm, in den Kaltwasserräumen 16 und 17 je
i qm, in den Niederdruckwasserräumen i9 und 20 je 10 qm. Nach rechts wird also drücken:
| 30 000 x 5oo = 15 ooo ooo kg |
| + 1o 00o X 230 = 2 3oo ooo kg |
| * ioo ooo X i = ino ooo kg |
| zusammen.... 17 4o0 ooo kg |
Nach links wird drücken:
| 30 00o X 23o = 6 900 00o 1,9 |
| + io ooo x 5oo = 5 oo0 ooo kg |
| + 1oo 00o X 53 = 5 300 ooo kg |
| zusammen .... 17 Zoo ooo kg |
Der Kolben 2 wird sich also mit großer Gewalt nach rechts bewegen. Bei 55 ata im
Windkessel io würde er zum Stillstand kommen. Durch den Druck im Windkessel io wird
also die Hubanzahl des Kolbens 2 so eingeregelt, daß sie der Wärmeaufnahme bzw.
Abgabe durch die Heizschlangen 26 und 27 entspricht.
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Ist der Kolben 2 in die rechte Endstellung gelangt, so werden (durch
einen nicht eingezeichneten Fühler) die Ventile umgesteuert, der Kolben bewegt sich
nach links, wird in der Endlage wieder umgesteuert, und der Vorgang wiederholt sich.
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Die Turbine ii entnimmt durch die Leitung 39 aus dem Windkessel io
laufend Wasser von 53 ata und liefert das gleiche Wasser in den Windkessel 9 mit
z. B. i ata ab. Macht der Kolben pro Sekunde einen Einfachhub von i m Länge, so
laufen durch die Turbine also io ooo kg/s bei 520 m Gefälle. Das wären aber
5 Zoo ooo mkg/s = rund 70 000 PS.
Vorstehende Zahlen entsprechen
nicht etwa den tatsächlich erzielten Verhältnissen, sondern sollten nur dieArbeitsweise
veranschaulichen. Der Kolben 2 wird zweckmäßig so dimensioniert, daß er einen langen
Hub macht und kleinere Durchmesser erhält. Der Druck im Windkessel 7 wird nicht
5oo ata betragen, sondern muß sich nach der Leistungsmöglichkeit der sich ausdehnenden
Flüssigkeit richten. (Er wird viel höher liegen und darum die Anlage viel kleiner
werden.) Bei der Bemessung der Räume ist auch die Zusammendrückbarkeit der Flüssigkeit
in Betracht zu ziehen. Wegen der Zusammendrückbarkeit des Wassers wird auch immer
etwas Wasser in den Windkessel 8 übertreten und muß von hier durch die vom Motor
14 betriebene Pumpe 13 dem Windkessel 7 wieder zugeführt werden. Ebenso wird etwas
Wasser durch Leckverluste in die \'iederdruckwasserräume i9 und 20 übertreten und
muß zurückgepumpt werden.
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Im Regenerator 5 und 6 pendelt also das Wasser wärmeaufnehmend nach
oben und wärmeabgebend nach unten. Die Temperatur an der Heizschlange 26 und in
den Heißwasserräumen 15 und 18 ist konstant heiß. Pendelt das Wasser nach oben,
so gibt die Heizschlange 26 an dieses Wärme ab, die Kühlschlange 27 entzieht ihm
Wärme z. B. durch Eisansatz. Pendelt das Wasser nach unten, so gibt die Heizschlange
26 keine Wärme mehr ab, da ja das Wasser annähernd deren Temperatur schon angenommen
hat. Das Wasser gibt aber die vorher aufgenommene Wärme an die Füllung 54 und 55
der Regeneratoren 5 und 6 ab. Diese Wärme kommt dem Wasser beim nächsten Anstieg
wieder zugute, geht also nicht verloren. Beim Durchfluß des Wassers nach unten wird
an die Kühlschlange 27 die (thermodynamisch unvermeidliche) Wärme abgeführt, z.
B. durch Abschmelzen des an diese angesetzten Eises. Jedenfalls erfolgt die Wärmezufuhr
laufend nur an der Stelle der höchsten Temperatur des Systems, nämlich an der Heizschlange
26, die Wärmeabfuhr laufend nur an der Stelle der tiefsten Temperatur des Systems,
nämlich an der Heizschlange 27. Die übrigen Erwärmungen und Abkühlungen geschehen
durch die wärmespeichernde Füllung 54 und 55. Somit wird also an der Flüssigkeit
ein Kreisprozeß durchgeführt, der zwischen Isothermen und zwei Isochoren liegt,
und dieser hat, verlustlose Arbeit vorausgesetzt, genau den Carnotwirkungsgrad.
Bei Verwendung von Wasser und der Höchsttemperatur von 3,^5°C und der Tiefsttemperatur
von o°C wäre der
Die Kraftentnahme erfolgt an einer Wasserturbine, die gleichmäßig unter optimalen
Verhältnissen laufen kann, also unter günstigsten Verhältnissen an einer der besten
und einfachsten unter den bekannten Kraftmaschinen. Da keine Hochdruckstopfbüchsen
vorhanden sind, bestehen auch keine Schwierigkeiten bezüglich der Manipulation der
Hochdruckflüssigkeit. Durch Wahl von Gefäßen mit entsprechend kleinem Durchmesser
und Aufschrumpfung von Metallmänteln auf ihre Wandung kann man konstruktiv auch
sehr hohe Drücke beherrschen, diesbezüglich bestehen also auch keine Hindernisse.
Die Wärmeübergangszahlen sind gut, da es sich um strömende Flüssigkeiten handelt.
Die Thermosyphonwirkung an flüssigen Schwermetallen (Blei) ist ein vielfaches derjenigen
von Wasser. Die Kältelauge in den Kühlschlangen 27 ist keine Bedingung, man kann
auch übliches Kühlwasser nehmen. Sie stellt aber einen Idealfall dar und kann verwirklicht
werden, falls keine entsprechend tiefen Außentemperaturen zur Verfügung stehen,
durch Anwendung einer Wärmepumpe zur Abkühlung der Lauge (deren Kraftbedarf geht
aber dann von der Leistung der Wärmekraftablage natürlich ab).
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Statt Wasser kann auch irgendeine andere Flüssigkeit verwendet werden.
Diese Anlage eignet sich also auch zur Abhitzeverwertung usw. Die Verwendungs-und
Ausführungsmöglichkeiten sind recht verschieden. Man kann z. B. die Bewegung des
Kolbens 2 auch direkt auf eine Kurbel übertragen. Jedenfalls zeigt diese Wärmekraftmaschine,
daß sich Flüssigkeiten nicht schlechter, sondern wahrscheinlich besser zur Durchführung
thermodynamischer Kreisprozesse eignen als Gase.
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Man kann die beschriebene Anlage naturgemäß auch dann benutzen, wenn
die Temperatur der Heizschlangen 26 überkritisch oder der Druck unterkritisch gehalten
wird. Man kann vor allem auch die Windkessel 7 und 8 fortlassen und dann die Flüssigkeiten
durch Umwälzpumpen (die beidseitig fast gleichen Druck haben) einmal nach rechts
und einmal nach links pumpen. Dann entsteht ja auch Wärmeabfuhr und Wärmezufuhr
in Abwechslung und damit die Arbeitsleistung. Diese Vorgänge sind dann aber weniger
einfach als bei der gezeichneten Maschine.
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Besonders scheint diese Anlage auch für Abwärmeverwertung von Atombatterien
geeignet zu sein, da ja verschiedene Kreisläufe bei dieser Wärmekraftmaschine miteinander
verkettet sind und so die Möglichkeit, daß das durch die Turbine ii laufende Wasser
noch radioaktiv sei, nur gering ist.