EP0309467A1 - Thermodynamischer kreisprozess. - Google Patents

Thermodynamischer kreisprozess.

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EP0309467A1
EP0309467A1 EP87903871A EP87903871A EP0309467A1 EP 0309467 A1 EP0309467 A1 EP 0309467A1 EP 87903871 A EP87903871 A EP 87903871A EP 87903871 A EP87903871 A EP 87903871A EP 0309467 A1 EP0309467 A1 EP 0309467A1
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EP
European Patent Office
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working medium
process according
gas
volume
heat
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EP87903871A
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EP0309467B1 (de
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Jurgen Schukey
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SITA Maschinenbau und Forschungs GmbH
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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
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/06—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using mixtures of different fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B11/00—Compression machines, plants or systems, using turbines, e.g. gas turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B25/00—Machines, plants or systems, using a combination of modes of operation covered by two or more of the groups F25B1/00 - F25B23/00
    • F25B25/02—Compression-sorption machines, plants, or systems

Definitions

  • the invention relates to a thermodynamic cycle with a gaseous working medium which is alternately compressed and expanded, in which a working medium is used which experiences a volume increase due to chemical processes at the higher temperature after the compression and a corresponding volume reduction at the lower temperature after the expansion .
  • the object of the invention is to create a cycle of the type mentioned at the outset, which has a very high degree of efficiency.
  • the solution according to the invention is that the volume increase is exothermic and the volume reduction is endothermic.
  • the cycle process is used for a heat pump, there is also an increase in efficiency.
  • heat is taken from a temperature reservoir of low temperature and released to a temperature reservoir of higher temperature with the aid of mechanical energy. If an exothermic chemical expansion of the working medium takes place at the higher temperature, more heat is given off at the higher temperature. At the lower temperature, however, more heat is absorbed due to the endothermic chemical volume reduction. With the same mechanical energy to be used, more heat is thus obtained, so the efficiency increases.
  • one way of performing the cycle would be to use a molecular gas, the molecules of which break down into individual components at the higher temperature and, in extreme cases, into individual atoms.
  • Another possibility is, as will be explained below, to heat a metal powder that has absorbed or adsorbed a gas.
  • the gas can do more work than would otherwise be the case.
  • the chemical reaction and / or the desorption processes take place in the other direction, i.e. as absorption or adsorption processes, so that the gas returns to its normal volume and is then available again for the cycle.
  • the chemical process is an adsorption / desorption process.
  • the adsorption / desorption of at least part of the gaseous working medium takes place on surfaces which are brought into contact with the gas alternately at the higher and the lower temperature.
  • the surfaces can be arranged on a circular disk which extends into the gas volumes of higher and lower temperatures and is rotated.
  • the disk could, for example, consist of several sectors, in which case the gas of higher temperature flows through sectors, for example above the axis of rotation, while the gas of lower temperature flows through sectors below the axis of rotation.
  • Appropriate sector walls must of course ensure that the gas of higher pressure does not simultaneously flow over or through the circular disk to the area of lower pressure in the cycle.
  • the working medium consists of two components which do not chemically react with one another, one of which is a normal gas and the other of which the volume increases / decreases. experiences due to chemical reactions and / or desorption processes. Of course, both types can chemical reactions can also be linked.
  • the working gas not participating in the chemical reactions has the task of serving as a means of transport for quantities of heat and / or a metal powder which is circulated with the gas and on which the adsorption / desorption takes place.
  • the gas can be hydrogen both in the cases in which the metal which effects the adsorption / desorption is arranged on a disk and in the cases in which the metal is carried as a powder in the gas stream.
  • Platinum, palladium or other catalyst metals which can absorb hydrogen can be used as the metal.
  • the cycle process is used for a heat engine, it can advantageously. it can also be provided that the expansion machine is connected to an electrical generator. This generator then supplies electrical energy instead of mechanical energy. At least part of the heating energy for the heating container can be supplied by the generator. In particular, if the gas heats up very strongly during the volume increase due to chemical reactions and / or desorption processes, one could even strive to have the heating energy supplied entirely by the electrical generator. In many other cases, however, it will be easier to use existing heat sources for this purpose.
  • the parts of the working medium circuit are also provided with surfaces which promote or intensify the reactions leading to the volume increases / decreases.
  • the heating container and the heat exchanger or parts thereof can be coated with such surfaces. to be seen.
  • the heat exchanger can carry out heat exchange with the surrounding air.
  • heat exchange with a quantity of water is also possible; pumps for the water may then have to be provided for this purpose.
  • what can be expedient in certain extreme situations for example in order to avoid, for example, an excessively low temperature of the working medium in the heat exchanger, can first compress the air which is passed from the outside via the heat exchanger, as a result of which it is heated .
  • the exhaust air can then be passed through an expansion machine, so that the energy used to increase the pressure of the ambient air is at least partially recovered. In this way, the efficiency of the overall device can be increased further.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of the structure of a
  • Fig. 2 is a P-V diagram for explaining the operation of the machine of Fig. 1;
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the structure of a heat pump which works with the cycle process according to the invention
  • FIG. 4 shows a PV diagram to explain the heat pump from FIG. 3; 5 shows another heat engine that works according to the method according to the invention; and r
  • the gaseous working medium is first compressed in a compressor 1 and then reaches the heating container 2 in the direction of the arrow.
  • This heating container contains a heating element, indicated at 3, which is heated by a heat source 4.
  • the heating element 3 could also be the outer wall of the container 2; in some cases, however, a separate heating element 3 will be used, for example with electrical heating.
  • the working medium which has already been heated by the compression is passed through the upper part of a disk-shaped element 20 which is gas-permeable in the axial direction.
  • gas movement in the circumferential direction is at least very much impeded, if not completely made impossible, by corresponding sectors on the disk-shaped element 20.
  • the disc-shaped element 20 is surrounded by a housing, so that in fact all gas that is introduced into the disc-shaped element on one side is on the. other side flows out again.
  • the disc-shaped element is now provided with a finely divided powder to which hydrogen gas is adsorbed.
  • the metal powder can, for example, be arranged in finely divided form on a silicone foam.
  • Particularly suitable metal powders are those which cool particularly during the adsorption of hydrogen and heat up during the desorption of the hydrogen. They should also bind as much hydrogen as possible. As a result of the temperature of the gas raised by the heating source 3, the hydrogen gas is now released from the metal powder. There is thus more gas available which is expanded in the expansion machine 5 and does mechanical work in the process. In addition, the exothermic process further heats up the working medium, which now consists of the original gas and hydrogen.
  • the expanded gas or other working media is passed via a control valve 6 into a heat exchanger 7, in which the heat exchange with the surroundings takes place, so that the gas returns to its original temperature.
  • the gas is passed several times through the heat exchanger 7. Before and after it is passed several times through the lower area of the pane 20. Since the disk is rotated in 'the meantime, 20, the metal is initially free hydrogen in this lower region. Here the hydrogen is adsorbed again, which happens with simultaneous cooling of the working gas, since the adsorption is endothermic. In this way, less energy is released to the environment or, in the best case, even thermal energy is absorbed from the environment. A very high degree of efficiency is obtained in this way.
  • the gas can then be compressed again in the compressor 1.
  • a fan 8 which is driven by a motor 9, also serves to support the heat exchange with the surroundings.
  • Compressor 1 and expansion machine 5 are on a common arranged shaft 10 so that the compressor can be driven by the circuit itself after a single start, that is, by the expansion machine 5.
  • the mechanical energy that is also available can be absorbed by a generator 11 ' , part of which electrical power via lines 12 to the motor 9 for the fan 8. Another part of the energy can be used at 13. In addition or instead, mechanical energy can also be taken from the shaft 10 at 14.
  • the figure also shows that the shaft 10 also rotates the disk 20.
  • the disk 20 will normally be rotated at a lower speed than the compressor 1, the expansion machine 5 and the generator 11.
  • a reduction gear not shown in the figure, will be provided.
  • the mode of action will now be clarified using the diagram in FIG. 2.
  • the original, hydrogen-free working medium is compressed in the compressor 1 on the line 1-2 in the PV diagram and reaches the heating tank 2.
  • heat is supplied to the gas by the heating element 3, whereby the volume is increased while the pressure remains the same (distance 2-3 in the PV diagram).
  • Hydrogen gas is now released in the disc-shaped element 20 with the release of energy (route 3-3 'in the PV diagram).
  • the PV diagram shows the sum of both gas volumes.
  • the original working medium and hydrogen are then expanded under work in the expansion machine 5 (route 3'-4 'in the PV diagram); mechanical work is done.
  • the hydrogen gas is then adsorbed in the low-pressure and low-temperature range of the disk-shaped element while absorbing heat (section 4'-4 in the P-V diagram). Only the original working gas then has to be cooled down (route 4-1 in the P-V diagram). This heat can be absorbed at least in part by the endothermic process of hydrogen adsorption. Then the gas has returned to its original state (point 1); the cycle can begin again.
  • FIG. 3 shows a heat pump which operates according to the cycle process according to the invention.
  • the heat pump of FIG. 3 differs from the heat engine of FIG. 1 only in that instead of heating container 2, heating element 3 and Heat source 4, a heat exchanger 21 is provided, with which a medium to be heated (for example room air) is heated.
  • a medium to be heated for example room air
  • the shaft 10 of the heat pump of FIG. 3 is driven by electrical energy fed in at 13 with the aid of the motor / generator 11 or by mechanical energy applied at 14.
  • the gas which is heated and compressed in the compressor 1 continues to heat up in the disk-shaped element 20 as a result of the desorption of hydrogen; the heat is given off in the heat exchanger 21 to the medium to be heated.
  • the hydrogen portion of the gas is adsorbed in the lower part of the disk-shaped element 20 with heat absorption.
  • heat is absorbed here, as this is reduced by the expansion 1
  • the corresponding P-V diagram of the mode of operation of the heat pump is shown in FIG. 4.
  • the neutral working gas is compressed adiabatically to a temperature above the dissolution temperature of the hydride, that is to say a temperature at which the adsorbed hydrogen gas is desorbed.
  • the gas is introduced into the disc-shaped element and gives off heat to the material of the disc-shaped element until the desorpti.on begins with heating. Hydrogen is formed on route 2-3 'and the heat of formation is released.
  • the distance 3-4 corresponds to the adiabatic expansion of the working gas.
  • the distance 3'- '- corresponds to the sum of the adiabatic expansion of working gas and hydrogen; through the hydrogen, the route 3-4 is shifted into the route 3'-4 '.
  • the hydrogen is adsorbed again with heat absorption until it reaches the starting point 1, that is to say the hydrogen volume 0.
  • the neutral working gas absorbs heat and reaches the starting point 1.
  • the disc-shaped element 20 has been omitted in the heat engine shown in FIG. 5. Instead, a metal powder is carried in the gas circuit.
  • the exothermic desorption of hydrogen gas with an increase in the volume of the working medium takes place in the heating container 2.
  • Original, neutral working gas, hydrogen and metal powder are then carried in a cycle until the hydrogen gas from the metal powder in one in the heat exchanger 7 endothermic process is adsorbed again.
  • the advantages of the exothermic and endothermic processes as well as the corresponding volume enlargements and reductions remain fully intact.
  • the only disadvantage is that metal powder has to be carried in the working medium, which can lead to wear and tear on the walls of the lines, the compressor and the expansion machine.
  • W, -w 1-2 + w 2-3 + w 3-3 + w 3 * -4 w 4-1

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Description

Thermodynamischer Kreisprozeß
Die Erfindung betrifft einen thermodynamischen Kreisprozeß mit einem gasförmigen Arbeitsmedium, das abwechselnd komprimiert und expandiert wird, bei dem ein Arbeitsmedium verwendet wird, das bei der höheren Temperatur nach der Kompression eine Volumenvergrößerung aufgrund chemischer Vorgänge und bei der niedrigeren Temperatur nach der Expansion eine entsprechende Volumenverkleinerung erfährt.
Bei Kreisprozessen besteht ganz allgemein das Problem, daß sie einen begrenzten Wirkungsgrad haben. Dieser Wirkungsgrad ist einmal durch physikalische Gesetzmäßigkeiten gegeben, andererseits aber auch durch konstruktive Einzelheiten be¬ dingt. So ist es aus technischen Gründen meist nur .möglich, diese Vorrichtungen mit einem verhältnismäßig niedrigen Wir¬ kungsgrad zu betreiben. Eine gewisse Erhöhung des Wirkungsgrades soll bei einem Ver¬ fahren der eingangs genannten Art erstrebt werden (UK-A 2 017 226). Bei dem dort b Veschriebenen Kreisprozeß zur Energieerzeu- r gung wird die zugeführte Wärmeenergie nicht nur dazu verwen¬ det, das Gas aufgrund der Erwärmung in üblicher Weise zu expandieren. Vielmehr wird weitere Wärme aufgewendet, um auf¬ grund eines endothermen chemischen Prozesses weiteres Gas freizusetzen, d.h. eine weitere Volumenvergrößerung zu bewir¬ ken. Dem Vorteil, daß bei der höheren Temperatur mehr Arbeits¬ gas gewonnen wird, steht aber der Nachteil gegenüber, daß bei der entsprechenden exothermen Volumenverkleinerung bei der tieferen Temperatur des Kreislaufes auch mehr Wärme an das kältere Wärmereservoir abgegeben wird.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Kreisprozeß der eingangs genannten Art zu schaffen, der einen sehr hohen Wir- kungsgrad hat.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß die Volumenver¬ größerung exotherm und die Volumenverkleinerung endotherm ist.
Im Gegensatz zum vorbekannten Kreisprozeß muß also nicht zusätzliche Energie aufgewendet werden, um daß zusätzliche Gas zu erhalten. Vielmehr sind die entsprechenden chemischen Vor¬ gänge bei der Bildung des zusätzlichen Gases bei der höheren Temperatur exotherm, so daß diese Vorgänge selbsttätig laufen, sobald das Gas einmal auf die entsprechende Temperatur ge¬ bracht worden ist. Es muß also bei einer Wärmekraftmaschine bei der höheren Temperatur weniger Wärme zugeführt werden, wodurch der Wirkungsgrad erhöht wird. Andererseits wird auch bei der niedrigeren Temperatur, da die entsprechende Volumen¬ verkleinerung endotherm ist, weniger Energie an das Wärmere¬ servoir niedrigerer Temperatur abgegeben, was zu einer weite¬ ren Erhöhung des Wirkungsgrades führt. Es ist sogar denkbar, daß dabei bei der tieferen Temperatur Wärme aus der Umwelt aufgenommen wird.
Wird der Kreisprozeß für eine Wärmepumpe verwendet, so ergibt sich ebenfalls eine Erhöhung des Wirkungsgrades. Bei der Wärmepumpe wird einem Temperaturreservoir niedriger Temperatur Wärme entnommen und mit Hilfe von mechanischer Energie an ein Temperaturreservoir höherer Temperatur abgegeben. Findet nun bei der höheren Temperatur eine exotherme chemische Expansion des Arbeitsmediums statt, so wird bei der höheren Temperatur mehr Wärme abgegeben. Bei der tieferen Temperatur wird aber aufgrund der endothermen chemischen Volumenverkleinerung mehr Wärme aufgenommen. Bei gleicher aufzuwendender mechanischer Energie wird also mehr Wärme gewonnen, der Wirkungsgrad steigt also.
Eine Möglichkeit zur Durchführung des Kreisprozesses wäre zum Beispiel, ein molekulares Gas zu verwenden, dessen Moleküle bei der höheren Temperatur in einzelne Bestandteile, im Extremfall in einzelne Atome zerfällt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, wie dies weiter unter ausgeführt werden wird, ein Metallpulver zu erhitzen, das ein Gas absorbiert oder adsorbiert hat.
Aufgrund der Tatsache, daß das Arbeitsmedium bei der höheren Temperatur mehr Volumen einnimmt, vermag das Gas mehr Arbeit zu leisten, als dies sonst der Fall wäre. Bei der tieferen Temperatur verlaufen dann die chemische Reaktion und/oder die Desorptionsvorgänge in der anderen Richtung, d.h. als Absorp- tions- bzw. Adsorptionsvorgänge, so daß das Gas wieder sein normales Volumen einnimmt und dann erneut für den Zyklus zur Verfügung steht.
Da ein solches Arbeitsmedium verwendet wird, das sich bei der Volumenvergrößerung bei der höheren Temperatur erwärmt, so kann im Falle einer Wärmekraftmaschine die zugeführte Wärme¬ menge sehr klein gehalten werden. Dies bedeutet eine beträcht¬ liche Energieeinsparung.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist der chemische Vorgang ein Adsorption/Desorptionsvorgang.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform erfolgt dabei die Adsorption/Desorption wenigstens eines Teils des gasförmigen Arbeitsmediums an Oberflächen, die abwechselnd mit dem Gas bei der höheren und der niedrigeren Temperatur in Kontakt gebracht werden.
Die Oberflächen können auf einer kreisförmigen Scheibe ange¬ ordnet sein, die in die Gasvolumina höherer und tieferer Temperatur hineinreicht und gedreht wird. Die Scheibe könnte zum Beispiel aus mehreren Sektoren bestehen, wobei dann das Gas höherer Temperatur durch Sektoren zum Beispiel oberhalb der Rotationsachse hindurchströmt, während das Gas niedrigerer Temperatur durch Sektoren unterhalb der Drehachse hindurch¬ strömt. Durch entsprechende Sektorenwände muß dabei selbstver¬ ständlich sichergestellt werden, daß dabei das Gas höheren Druckes nicht gleichzeitig über oder durch die kreisförmige Scheibe zum Bereich niedrigeren Druckes des Kreisprozesses hindurchströmt.
Statt dieser Ausführungsform kann auch.vorgesehen werden, was sich ebenfalls als vorteilhaft erwiesen hat, daß das Arbeits¬ medium aus zwei nicht miteinander chemisch reagierenden Komponenten besteht, von denen die eine ein normales Gas ist und von denen die andere die Volumenvergrößerungen/-verkleine- rungen aufgrund von chemischen Reaktionen und/oder Desorp- tionsvorgängen erfährt. Selbstverständlich können beide Arten von chemischen Reaktionen auch miteinander verknüpft werden.
Bei einer Mischung von zwei Komponenten hat das nicht an den chemischen Reaktionen teilnehmende Arbeitsgas die Aufgabe, als Transportmittel für Wärmemengen und/oder ein Metallpulver zu dienen, das mit dem Gas im Kreislauf herumgeführt wird und an dem die Adsorption/Desorption stattfindet.
Sowohl in den Fällen, in denen das die Adsorption/Desorption bewirkende Metall auf einer Scheibe angeordnet ist, als auch in den Fällen, in denen das Metall als Pulver im Gasstrom mitgeführt wird, kann das Gas Wasserstoff sein. Als Metall können Platin, Palladium oder sonstige Katalysatormetalle verwendet werden, die Wasserstoff aufnehmen können.
Wird der Kreisprozeß für eine Wärmekraftmaschine verwendet, so kann vorteilhafterweise. noch vorgesehen werden, daß die Expan¬ sionsmaschine mit einem elektrischen Generator verbunden ist. Dieser Generator liefert dann statt mechanischer Energie elek¬ trische Energie. Wenigstens ein Teil der Heizenergie für den Heizbehälter kann dabei von dem Generator geliefert werden. Insbesondere dann, wenn sich das Gas bei der Volumenvergröße¬ rung aufgrund von chemischen Reaktionen und/oder Desorptions- vorgängen sehr stark erwärmt, könnte man sogar anstreben, die Heizenergie vollständig durch den elektrischen Generator liefern zu lassen. In vielen anderen Fällen wird es aber einfacher sein, bereits vorhandene Wärmequellen für diesen Zweck zu verwenden.
Vorteilhafterweise sind noch die Teile des Kreislaufs des Ar- beitsmediums mit Oberflächen versehen, die die zu den Volumen- vergrößerungen/-verkleinerungen führenden Reaktionen fördern oder verstärken. Insbesondere der Heizbehälter und der Wärme¬ tauscher bzw. Teile davon können mit solchen Oberflächen ver- sehen sein .
Der Wärmetauscher kann den Wärmeaustausch mit der Luft der Umgebung durchführen. Es ist aber auch ein Wärmetausch mit einer Wassermenge möglich; für diesen Zweck müssen dann ge¬ gebenenfalls Pumpen für das Wasser vorgesehen sein. Man kann aber auch, was sich in gewissen Extremsituationen als zweck¬ mäßig erweisen kann, um zum Beispiel eine zu tiefe Temperatur des Arbeitsmediums im Wärmetauscher zu vermeiden, die Luft, die von außen über den Wärmetauscher geführt wird, zunächst komprimieren, wodurch sie erwärmt wird. Die Abluft kann dann über eine Expansionsmaschine geführt werden, so -daß die für die Druckerhöhung der Umweltluft verwendete Energie wenigstens teilweise wieder zurückgewonnen wird. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad der Gesamtvorrichtung weiter erhöht werden.
Die- Erfindung wird im folgenden anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeich¬ nungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 in schematischer Darstellung den Aufbau einer
Wärmekraftmaschine, die nach dem erfindungsgemäßen Kreisprozeß arbeitet,
Fig. 2 ein P-V-Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Maschine von Fig. 1;
Fig. 3 in schematischer Darstellung den Aufbau einer Wärme¬ pumpe, die mit dem erfindungsgemäßen Kreisprozeß arbeitet;
Fig. 4 ein P-V-Diagramm zur Erläuterung der Wärmepumpe von Fig. 3; Fig. 5 eine andere Wärmekraftmaschine, die nach dem erfin¬ dungsgemäßen Verfahren arbeitet; und r
Fig. 6 ein weiteres P-V-Diagramm eines numerischen Bei¬ spiels.
In.der in Fig. 1 gezeigten Maschine wird das gasförmige Arbeitsmedium zunächst in einem Kompressor 1 komprimiert und gelangt dann in Pfeilrichtung in den Heizbehälter 2. Dieser Heizbehälter enthält ein bei 3 angedeutetes Heizelement, das von einer Wärmequelle 4 erwärmt wird. Selbstverständlich könnte das Heizelement 3 auch die Außenwand des Behälters 2 sein; in manchen Fällen wird man aber ein separates Heizele¬ ment 3 verwenden, zum Beispiel bei elektrischer Beheizung.
Das durch die Kompression bereits erwärmte Arbeitsmedium wird durch den oberen Teil eines scheibenförmigen Elementes 20 geleitet, daß in Axialrichtung gasdurchlässig ist. Anderer¬ seits ist aber eine Gasbewegung in Umfangsrichtung durch entsprechende Sektoren auf dem scheibenförmigen Element 20 zumindest sehr stark behindert, wenn nicht sogar völlig unmöglich gemacht. Außerdem ist das scheibenförmige Element 20 mit einem Gehäuse umgeben, so daß tatsächlich alles Gas, das in das scheibenförmige Element auf einer Seite hineingeleitet wird, auf der. anderen Seite auch wieder herausströmt. Das scheibenförmige Element ist nun mit einem fein verteilten Pulver versehen, an das Wasserstoffgas adsorbiert ist. Das Metallpulver kann zum Beispiel in fein verteilter Form auf einem Silikonschaum angeordnet sein. Als Metallpluver sind dabei besonders gut solche geeignet, die sich bei der Adsorption von Wasserstoff besonders abkühlen und bei der Desorption des Wasserstoffes erwärmen. Außerdem sollten sie eine möglichst große Menge von Wasserstoff binden. Infolge der durch die Heizquelle 3 erhöhten Temperatur des Gases wird nun das Wasserstoffgas vom Metallpulver abgegeben. Es steht damit mehr Gas zur Verfügung, das in der Expansions¬ maschine 5 entspannt wird und dabei mechanische Arbeit leistet. Außerdem erfolgt durch den exothermen Vorgang noch eine weitere Erwärmung des Arbeitsmediums, das nunmehr aus dem ursprünglichen Gas und Wasserstoff besteht.
Hinter der Expansionsmaschine 5 wird das entspannte Gas bzw. sonstige Arbeitsmedien über ein Regelventil 6 in einen Wärme¬ austauscher 7 geleitet, in der der Wärmeaustausch mit der Umgebung stattfindet, so daß das Gas wieder seine ursprüng¬ liche Temperatur annimmt.
Das Gas wird dabei mehrfach durch den Wärmeaustauscher 7 hindurchgeleitet. Vorher und hinterher wird es mehrmals durch den'unteren Bereich der Scheibe 20 geleite.t. Da die Scheibe 20 in 'der Zwischenzeit gedreht worden ist, ist das Metall in diesem unteren Bereich zunächst Wasserstofffrei. Hier wird nun wieder der Wasserstoff adsorbiert, was unter gleichzeitiger Abkühlung des Arbeitsgases geschieht, da die Adsorption endotherm ist. Auf diese Weise wird weniger Energie an die Umgebung abgegeben oder im günstigsten Falle sogar Wärmeener¬ gie aus der Umgebung aufgenommen. Man erhält auf diese Weise einen sehr hohen Wirkungsgrad.
Anschließend kann das Gas dann im Kompressor 1 wieder kompri¬ miert werden.
Zur Unterstützung des Wärmeaustausches mit der Umgebung dient noch ein Ventilator 8, der durch einen Motor 9 angetrieben ist.
Kompressor 1 und Expansionsmaschine 5 sind auf einer gemein- samen Welle 10 angeordnet, so daß der Kompressor nach einem einmaligen Start durch den Kreislauf selbst angetrieben werden kann, das heißt durch die Expansionsmaschine 5. Die darüber hinaus zur Verfügung stehende mechanische Energie kann von einem Generator 11' aufgenommen werden, von dem ein Teil der elektrischen Leistung über Leitungen 12 zum Motor 9 für den Ventilator 8 geführt wird. Ein anderer Teil der Energie kann bei 13 nutzbringend entnommen werden. Außerdem oder statt dessen kann bei 14 auch mechanische Energie von der Welle 10 abgenommen werden.
In der Fig. ist auch dargestellt, daß die Welle 10 auch die Scheibe 20 dreht. Dabei wird man aber normalerweise die Scheibe 20 mit einer geringeren Geschwindigkeit drehen als den Kompressor 1, die Expansionsmaschine 5 und den Generator 11. Zu diesem Zweck wird man noch ein in der Fig. nicht gezeigtes Untersetzungsgetriebe vorsehen. - - ,
Es soll nun die Wirkungweise anhand des Diagramms der Fig. 2 verdeutlicht werden. Das ursprüngliche, Wasserstofffreie Arbeitsmedium wird im Verdichter 1 auf der Strecke 1-2 im P-V-Diagramm komprimiert und gelangt in den Heizbehälter 2. Im Heizbehälter wird dem Gas durch das Heizelement 3 Wärme zuge¬ führt, wodurch das Volumen bei gleichbleibendem Druck vergrö¬ ßert wird (Strecke 2-3 im P-V-Diagramm) . Im scheibenförmigen Element 20 wird nun unter Energieabgabe Wasserstoffgas freige¬ setzt (Strecke 3-3' im P-V-Diagramm). Im Punkt 3' des P-V-Diagramms hat man damit ein Arbeitsgas, ■ das aus dem ursprünglichen Gas (Volumen bei Punkt 3-) und dem Wasserstoff¬ gas besteht, das bei Punkt 3 zunächst das Volumen 0 und bei 3' sein tatsächliches Volumen hat. Das P-V-Diagramm zeigt also die Summe beider Gasvolumina. Ursprüngliches Arbeitsmedium und Wasserstoff werden dann unter Arbeitsleistung in der Expansionsmaschine 5 expandiert (Strecke 3'-4' im P-V-Diagramm); dabei wird mechanische Arbeit geleistet.
Anschließend erfolgt dann im Niederdruck- und Niedertempera¬ turbereich des scheibenförmigen Elementes die Adsorption des Wasserstoffgases unter Wärmeaufnahme (Strecke 4'-4 im P-V-Diagramm) . Nur das ursprüngliche Arbeitsgas muß dann noch abgekühlt werden (Strecke 4-1 im P-V-Diagramm) . Diese Wärme kann zumindest teilweise durch den endothermen Prozeß der Wasserstoffadsorption aufgenommen werden. Anschließend hat dann das Gas wieder seinen ursprünglichen Zustand (Punkt 1) erreicht; der Kreisprozeß kann erneut beginnen.
In Fig. 3 ist eine Wärmepumpe gezeigt, die nach dem erfin¬ dungsgemäßen Kreisprozeß arbeitet.,Im Prinzip unterscheidet sich die Wärmepumpe der Fig. 3 von der Wärmekraftmaschine der Fig. 1 nur dadurch, daß anstelle von Heizbehälter 2, Heizele¬ ment 3 und Wärmequelle 4 ein Wärmetauscher 21 vorgesehen ist, mit dem ein zu erwärmendes Medium (zum Beispiel Raumluft) erwärmt wird.
Zum Betrieb wird die Welle 10 der Wärmepumpe der Fig. 3 durch bei 13 eingespeiste elektrische Energie mit Hilfe des Motors/ Generators 11 oder durch bei 14 angelegte mechanische Energie angetrieben. Das im Kompressor 1 erwärmte und komprimierte Gas erwärmt sich im scheibenförmigen Element 20 in Folge von Desorption von Wasserstoff weiter; die Wärme wird im Wärme¬ tauscher 21 an das zu erwärmende Medium abgegeben. Nach teil¬ weiser Energierückgewinnung in der Expansionsmaschine 5 wird der Wasserstoffanteil des Gases im unteren Teil des scheiben¬ förmigen Elemtes 20 unter Wärmeaufnahme adsorbiert. Außerdem wird hier Wärme aufgenommen, da das durch die Expansion abge- 1
kühlte Gas für den Kreislauf wieder erwärmt werden muß. Die entsprechende Wärme wird im Wärmeaustauscher 7 der Umgebung entnommen.
Das entsprechende P-V-Diagramm der Wirkungsweise der Wärme¬ pumpe ist in Fig. 4 dargestellt. Auf der Strecke 1-2 wird das neutrale Arbeitsgas adiabatisch auf eine Temperatur .oberhalb der Auflösungstemperatur des Hydrides verdichtet, das heißt eine Temperatur, bei der das adsorbierte Wasserstoffgas desorbiert wird. Auf der Strecke 2-3 wird das Gas in das scheibenförmige Element eingeführt und gibt Wärme an das Material des scheibenförmigen Elementes ab, bis die Desorpti.on unter Erwärmung beginnt. Auf der Strecke 2-3' wird Wasserstoff gebildet und die Bildungswärme abgegeben.
Die Strecke 3-4 entspricht der adiabatischen Expansion des Arbeitsgases. Die Strecke 3'- '- entspricht der Summe der adiabatischen Expansion von Arbeitsgas und Wasserstoff; durch den Wasserstoff wird also die Strecke 3-4 in die Strecke 3'-4 ' verschoben.
Auf der Strecke 4'-1 wird der Wasserstoff wieder unter Wärme¬ aufnahme adsorbiert, bis er den Anfangspunkt 1, das heißt das Wasserstoffvolumen 0 erreicht. Auf der Strecke 4-1 nimmt das neutrale Arbeitsgas Wärme auf und erreicht den Anfangspunkt 1.
Bei der in Fig. 5 gezeigten Wärmekraftmaschine ist auf das scheibenförmige Element 20 verzichtet worden. Statt dessen wird im Gaskreislauf ein Metallpulver mitgeführt. Die exo¬ therme Desorption von Wasserstoffgas unter Volumenvergrößerung des Arbeitsmediums erfolgt bei dieser Ausführungsform im Heiz¬ behälter 2. Ursprüngliches, neutrales Arbeitsgas, Wasserstoff und Metallpulver werden dann im Kreislauf mitgeführt, bis im Wärmetauscher 7 das Wasserstoffgas vom Metallpulver in einem endothermen Vorgang wieder adsorbiert wird. Die Vorteile der exothermen und endothermen Vorgänge sowie der entsprechenden Volumenvergrößerungen und -Verkleinerungen bleiben aber voll erhalten. Ein Nachteil ist lediglich, daß Metallpulver im Arbeitsmedium mitgeführt werden muß, was zu Verschleißerschei¬ nungen an den Wänden der Leitungen, des Kompressors und der Expansionsmaschine führen kann.
Die erstaunliche Erhöhung des Wirkungsgrades läßt sich auch dadurch erklären, daß der Wasserstoff im Laufe des Kreislaufes ohne zusätzliche Energieaufwendung durch die Adsorption auf das Volumen 0 "komprimiert" wird.
Beispiel
Der erstaunlich hohe Wirkungsgrad soll nun an einem nume¬ rischen Beispiel erläutert werden, das von einer Menge von 1 kg Stickstoff und 0,1 kg Wasserstoffgas ausgeht. Es ergeben sich folgende numerische Werte, die auch in Fig. 6 noch grafisch dargestellt sind.
P-V-Diagramm für 1 kg N,, plus 0,1 kg H..
1 kg N2 • plus 0,1 kg H2
R = 0,297 kJ/kgK R = 4,124 kJ/kgK cp = 1,039 kJ/kgK cp = 14,38 kJ/kgK cv = 0,743 kJ/kgK cv = 10,26 kJ/kgK = 0 , 210 m* =
Tl 283,00°K =
Pl 400 kPa v. = 0 , 109 irf =
T2 = 367.,88°K P2 1O00 kPa v. = 0 , 114 m" T3 = 385,00°K P3 = 1000 kPa
= 0 , 273 m" = 00
3 ' T3' 385,00°K P3' = 10 kPa v 4 ' = 0 , 525 itf T4« = 296,18°K P4' = 400 kPa v . = 0,220 m' =
T4 = 296,18°K P4 400 kPa
Strecke 1-2:
Verdichtung adiabal, Arbeitsmittel 1 kg N„, die Raumänderungs¬ arbeit beträgt W = 63 Nm/kg.
Strecke 2-3:
Isobare, Wärmezufuhr Q = 17,78 kJ/kg, Raumänderungsarbeit W = 5,08 kNm/kg.
* Strecke 3-3 ' :
Exothermer chemischer Prozeß, Gasbildung, - Füllprozeß isobar, Raumänderungsarbeit W = 158,8 kN/0,1 kg H~.
Strecke 3'-4 ' :
Expansion adiabat von 1 kg N2 plus 0,1 kg H_, W = 65,95 plus 91,57, W = 157,5 kNm.
Strecke 4'-4:
Endothermer chemischer Prozeß, Gasadsorbierung, erforderliche Wärmeaufnahme entsprechend Arbeitsabgabe von H_ auf Strecke 3-3' und 3'-4', W = 158,8 plus 91,57, also W = 250,37 kNm/0,1 kg H_, davon 13,69 kJ Abwärme aus der Strecke 4-1 und 236,68 kJ aus dem Wärmetauscher-Umwelt. 17
Strecke 4-1 :
Isobare, Wärmeabfuhr Q = 13,69 kJ/kgN, Raumänderungsarbeit W 3,9 kNm/kgN.
Technische Arbeit:
W, = -w 1-2 + w 2-3 + w 3-3 + w 3* -4 w 4-1
Wfc = - 63 + 5,1 + 158,8 + 157,5 - 3,9
Wt = 254,5 kN
Leistungszah1:
p - ab E " —
I_≡_14 3
Endothermer chemischer Prozeß :
Erforderliche Bildungsenergie sH bezogen auf die technische Arbeit sH = 250 kJ/0,1 kg H_ . Bildungsenergie sH bezogen auf die Erwärmung der aktiven Speicheroberflächen (geschätzt) sH 140 kJ/0,1 kg H_ . Bildungsenergie sH = 3900 kJ/kg.
sH = 7,8 J/mol Arbeitsleistung in bezug auf das Fördervolumen:
= wt Wt
Ltr V
=
Wt 254,5 Ltr 0,525
Wt = 484,76 Nm/Ltr Ltr

Claims

Patentansprüche
Thermodynamischer Kreisprozeß mit einem gasförmigen Arbeitsmedium, das abwechselnd komprimiert und expandiert wird, bei dem ein Arbeitsmedium verwendet wird, das bei der höheren Temperatur nach der Kompression eine Volumenvergrö¬ ßerung aufgrund chemischer Vorgänge und bei der niedrigeren Temperatur nach der Expansion eine entsprechende Volumen¬ verkleinerung erfährt, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumenvergrößerung exotherm und die Volumenverkleinerung endotherm ist.
Kreisprozeß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der chemische Vorgang ein Adsorptions/Desorptionsvorgang ist.
3. Kreisprozeß nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß "die Adsorption/Desorption wenigstens eines Teils des gas¬ förmigen Arbeitsmediums an Oberflächen erfolgt, die ab¬ wechselnd mit dem Gas bei der höheren und der niedrigeren Temperatur in Kontakt gebracht werden.
4. Kreisprozeß nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen auf einer kreisförmigen Scheibe angeordnet sind, die in die Gasvolumina höherer und tieferer Tempera¬ tur hineinreicht und gedreht wird.
5. Kreisprozeß nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß ein gasförmiges Arbeitsmedium aus zwei nicht miteinander chemisch reagierenden Komponenten ver¬ wendet wird, von denen die eine ein normales Gas ist und von denen die andere die Volumenvergrößerungen/-verkleine- rungen aufgrund von chemischen Reaktionen und/oder Desorp- tionsvorgängen erfährt.
6. Kreisprozeß nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Arbeitsmedium, das die Volumenver¬ größerungen aufgrund von chemischen Reaktionen und/oder Desorptionsvorgängen erfährt, eine Mischung von einem Gas und einem Pulver verwendet wird.
7. Kreisprozeß nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Pulver ein Metallpulver verwendet wird.
8. Kreisprozeß nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß als Gas Wasserstoff verwendet wird.
9. Kreisprozeß nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß er zur Erzeugung mechanischer Energie mit einem Kompressor für das Arbeitsmedium, mit einem Heizbehälter zum Erwärmen des komprimierten Arbeitsme- "diums, mit einer Expansionsmaschine zur Erzeugung der mechanischen Energie, und mit einem Wärmetauscher zum Austausch von Wärmeenergie mit der Umgebung durchgeführt wird.
10. Kreisprozeß nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß er zur Gewinnung von Wärme aus mecha¬ nischer Energie unter Abkühlung eines Wärmereservoirs tieferer Temperatur (Wärmepumpe) betrieben wird.
11. Kreisprozeß nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge- kenzeichnet, daß die Teile der Kreislaufbehälter des Arbeitsmediums mit Oberflächen versehen sind, die die zu den Volumenvergrößerungen/-verkleinerungen führenden Reak¬ tionen fördern oder verstärken.
12. Kreisprozeß nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Absinken der Temperatur des Arbeitsmediums unter die Umwelttemperatur Wärmeengergie über den Wärmetauscher aufgenommen wird.
13. Kreisprozeß nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Arbeitsmedium, das die Volumen¬ vergrößerung aufgrund von chemischen Reaktionen und/oder Desorptionsvorgangen erfährt, eine Mischung von zwei Gasen verwendet wird, von welchen mindestens eines synthetisch hergestellt ist und wie ein Katalysator auf das andere wirkt.
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