EP0880640A1 - Mit einem kreisprozess arbeitende wärmekraftmaschine - Google Patents

Mit einem kreisprozess arbeitende wärmekraftmaschine

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Publication number
EP0880640A1
EP0880640A1 EP97905088A EP97905088A EP0880640A1 EP 0880640 A1 EP0880640 A1 EP 0880640A1 EP 97905088 A EP97905088 A EP 97905088A EP 97905088 A EP97905088 A EP 97905088A EP 0880640 A1 EP0880640 A1 EP 0880640A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pressure
heat engine
temperature
working medium
heat
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP97905088A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Albert V. Serogodski
Bernhard Schaeffer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dokowa Gesellschaft Zur Entwicklung Dezentralokologischer Energiewandler Mbh & Co KG
Original Assignee
Dokowa Gesellschaft Zur Entwicklung Dezentralokologischer Energiewandler Mbh & Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Dokowa Gesellschaft Zur Entwicklung Dezentralokologischer Energiewandler Mbh & Co KG filed Critical Dokowa Gesellschaft Zur Entwicklung Dezentralokologischer Energiewandler Mbh & Co KG
Publication of EP0880640A1 publication Critical patent/EP0880640A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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

Definitions

  • the invention relates to a heat engine working with a cyclic process, comprising
  • Such heat engines convert heat energy into work.
  • the efficiency of a heat engine is defined as the ratio of work done A to supplied heat energy Q to
  • Such heat engines are generally known, for example, as so-called hot-air machines and are described in many thermodynamics textbooks, for example "Thermodynamics” by E. Schmidt, 9th edition, Springer-Verlag 1962, pp. 132-138.
  • Two piston machines or turbo machines are connected to one another via a line system with two heat exchangers. Air is the working medium in the piston machines, the pipe system and the heat exchangers.
  • Air is the working medium in the piston machines, the pipe system and the heat exchangers.
  • the working medium can go through various processes.
  • the compression and expansion can be adiabatic (Joule process) or isothermal (Ericson process). In practice, however, such idealized processes can only be approximated.
  • Heat engines are disclosed in several different publications, by means of which the efficiency of the heat engine is to be improved:
  • DE 41 01 500 AI discloses a working with a cycle heat engine with a cylinder chamber which is limited by a piston.
  • a quantity of an evaporable liquid is provided in the cylinder chamber as a working medium at an initial temperature.
  • the volume of the Cylinder chamber from an inner dead center by moving the piston outwards to an outer dead center.
  • the movement of the piston is stopped for a predetermined period of time.
  • condensation of the supercooled vapor of the liquid is initiated. This leads to a sudden drop in pressure.
  • the piston is then moved to the inner dead center.
  • the cooled condensate is heated to the initial temperature using a heat exchanger.
  • the working medium consists of only one component.
  • a heat engine of the type mentioned in which the working medium is a two-substance mixture of nitrogen and butane.
  • the heat engine consists of a boiler kept at a temperature of 104.5 ° C. and a cylinder connected to the boiler and a heat exchanger arranged in the boiler, which cylinder is closed by a piston.
  • the ratio of the concentrations of nitrogen and butane and the starting temperature are chosen so that the two-component mixture at the starting temperature is in the range of retrograde condensation and the starting temperature is between the critical temperatures of nitrogen and butane.
  • the efficiency of a heat engine is to be improved by using such a two-substance mixture.
  • the invention has for its object to improve the efficiency of a heat engine of the type mentioned.
  • the working medium is a multi-substance mixture
  • the mixing ratio of the multicomponent mixture, the working pressure range and the working temperature range of the heat engine is chosen such that, based on the behavior of a single-substance working medium, the temperature of the multicomponent mixture in a certain pressure range decreases less with decreasing pressure and rises less with increasing pressure. Such behavior of the working medium has a favorable effect on the efficiency.
  • the amount of heat Q ab to be dissipated then becomes smaller and thus the efficiency ⁇ greater (cf. Eq. (2)).
  • Such behavior shows, for example, a multi-component mixture of nitrogen and butane in a mixing ratio of approximately 10% nitrogen and 90% butane.
  • a multicomponent mixture of nitrogen and carbon dioxide in a mixing ratio of approximately 10% nitrogen and 90% carbon dioxide also exhibits this behavior, as does a multicomponent mixture of hydrogen and carbon dioxide in such a mixing ratio. It has also been shown experimentally that this behavior is promoted by adding water in small amounts.
  • Fig.l is a schematic representation and shows a
  • FIG. 2 shows in a p-V diagram the changes in the working medium during a cycle in a heat engine.
  • a first turbine is designated 10 and a second turbine 12.
  • a shaft 14 extends through the two turbines 10 and 12.
  • a generator (not shown) for generating electricity can be connected to the shaft 14.
  • the first turbine 10 is located on the so-called cold side and the second turbine 12 on the so-called warm side of the heat engine.
  • the two turbines 10 and 12 are connected to one another via a line system.
  • a first line 16 connects the first turbine 10 to the cold side inlet of a first heat exchanger 18.
  • the warm side outlet of the first heat exchanger 18 is connected via a line 20 to the cold side inlet of a second heat exchanger 22.
  • the output of the warm side of the second heat exchanger 22 is connected to the second turbine 12 via a line 24.
  • a line 26 connects the second turbine 12 to the input of the warm side of the first heat exchanger 18.
  • the output of the cold side of the first heat exchanger 18 is connected via a line 20 to the input of the warm side of a third heat exchanger 30.
  • the cold side output of the third heat exchanger 30 is connected to the first turbine 10 via a line 32.
  • This system forms a closed system in which the working medium of the heat engine is enclosed. The working medium flows in the direction of the arrows in FIG. 1.
  • the warm side inlet and the cold side outlet of the second heat exchanger 22 are connected to a first boiler 38 via lines 34 and 36.
  • the cold side inlet and the warm side outlet of the third heat exchanger 30 are connected via lines 40 and 42 to a second boiler 44.
  • the first boiler 38 is kept at a temperature T 2 .
  • the second boiler 44 is kept at a temperature T 4 , where T 2 > T 4 .
  • the working medium is compressed in the first turbine 10 to the pressure p ⁇ . It then flows via line 16 into the first heat exchanger 18.
  • the working medium is heated from the temperature T x to a temperature T w . This takes place in the counterflow process by simultaneous cooling of the working medium coming from the second turbine 12.
  • the working medium then flows further via line 20 into the second heat exchanger 22.
  • the working medium is heated from the temperature T w to the temperature T 2 . This takes place in the countercurrent process by simultaneous cooling of the medium coming from the first boiler 38.
  • the working medium is then expanded in the second turbine 12, as a result of which work is performed.
  • the working medium leaves the second turbine 12 under the pressure p 3 and at the temperature T 3 . It flows via line 26 into the first heat exchanger 18 and is cooled here to a temperature T k .
  • the working medium then flows further via line 28 into the third heat exchanger 30.
  • the working medium is cooled from the temperature T k to the temperature T t . This is done in a countercurrent process by simultaneous heating of the medium coming from the second boiler 44.
  • FIG. 2 shows a pV diagram and swapped the changes in state of the working medium during a passage through the heat engine. The mode of operation of the described heat engine is to be explained on the basis of this state diagram:
  • the working medium leaves the first turbine 10 at a pressure p x and at a temperature r T 1 . This corresponds to point I in FIG. 2.
  • the temperature of the working medium is increased from T x to T w in the first heat exchanger 18 and T w to T 2 in the second heat exchanger 22.
  • the working medium is expanded approximately adiabatically from the pressure p 2 to a pressure p 3 and expanded from the volume V 2 to a volume V 3 , the temperature decreasing from the temperature T 2 to the temperature T 3 .
  • the working medium becomes approximately adiabatic from the pressure p 4 to the pressure p : and compressed from the volume V 4 to the volume V x , the temperature changing from the temperature T 4 to the temperature T x .
  • the p-V diagram forms a closed curve that encloses a surface and is traversed clockwise.
  • the heat engine therefore does mechanical work on every cycle.
  • the first turbine 10 works as a compressor and the second turbine 12 as a machine.
  • the turbine 10 is driven by the turbine 12 via the shaft 14.
  • not only turbines can be used, but also piston machines, for example.
  • the heat engine described here works according to the so-called Joule process.
  • the invention is not limited to heat engines that work according to this working diagram, but applies to all heat engines.
  • a multi-substance mixture is now used as the working medium.
  • mixtures of approximately 90% carbon dioxide and approximately 10% nitrogen and mixtures of approximately 90% butane and approximately 10% nitrogen show remarkable properties. These properties are further enhanced when small amounts of water are added to the mixtures.
  • the following effects have been observed experimentally: When nitrogen is introduced into a closed container filled with (gaseous and liquid) colonic dioxide at a temperature of 0 ° C., the pressure in the container increases, as expected. Surprisingly, the temperature drops to approx. -10 ° C. The same effect occurs with hydrogen instead of nitrogen, even in an increased form. This effect can also be observed at starting temperatures up to + 20 ° C. The effect is no longer observed above + 20 ° C.
  • a mixture of approx. 90% butane and approx. 10% nitrogen behaves differently. If such a mixture is expanded from a pressure of approx. 127 bar to a pressure of approx. 100 bar at an initial temperature of 94 ° C., the temperature of the mixture increases to approx. 127 ° C. If the pressure is increased again to 127 bar, the temperature drops again to the initial temperature. In the case of known substances and mixtures of substances, one can expect a reversed behavior.
  • K has an effect on the decay of the adiabatic curve from point II to point III in the state diagram in FIG. 2.
  • this property also gives a higher degree of efficiency than with conventional substances or mixtures of substances.

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Abstract

Eine mit einem Kreisprozeß arbeitende Wärmekraftmaschine enthält einen abgeschlossenen Raum, in dem ein Arbeitsmedium eingeschlossen ist, sowie Wärmeaustauschmittel, mittels denen dem Arbeitsmedium Wärme zu- und abgeführt wird. Das verwendete Arbeitsmedium ist ein Mehrstoffgemisch. Das Mischungsverhältnis des Mehrstoffgemisches, der Arbeitsdruckbereich und der Arbeitstemperaturbereich der Wärmekraftmaschine wird entweder so gewählt, daß, bezogen auf das Verhalten eines Einstoff-Arbeitsmedium, die Temperatur des Mehrstoffgemisches in einem bestimmten Druckbereich bei abnehmendem Druck weniger sinkt und bei steigendem Druck weniger steigt oder annähernd konstant bleibt oder sogar mit steigendem Druck sinkt und mit abnehmendem Druck steigt. Das Mehrstoffgemisch kann Stickstoff und Butan, Stickstoff und Kohlendioxid oder Wasserstoff und Kohlendioxid enthalten.

Description

Mit einem Kreisprozeß arbeitende Wärmekraftmaschine
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine mit einem Kreisprozeß arbei- tende Wärmekraftmaschine, enthaltend
(a) einen abgeschlossenen Raum, in dem ein Arbeitsmedium eingeschlossen ist,
(b) Wärmeaustauschmittel, mittels denen dem Arbeitsmedium Wärme zu- und abgeführt wird.
Solche Wärmekraftmaschinen setzen zugeführte Wärmeenergie in Arbeit um. Der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine ist definiert als das Verhältnis von geleisteter Arbeit A zu zugeführter Wärmeenergie Qzu
(1) η = A/Q2U.
Bei einem idealisierten Kreisprozeß ohne Verluste, beispielsweise nach Carnot, läßt sich zeigen, daß ( 2 ) η = A/Qzu = ( Qzu- Qab) /Qzu '
wobei Qab die abgeführte Wärmeenergie ist.
Zugrundeliegender Stand der Technik
Solche Wärmekraftmaschinen sind beispielsweise als sogenannte Heißluftmaschinen allgemein bekannt und in vielen Lehrbücher der Thermodynamik beschrieben, beispiels- weise "Thermodynamik" von E. Schmidt, 9. Auflage, Springer- Verlag 1962, S. 132-138. Zwei Kolbenmaschinen (oder Turbo¬ maschinen) sind über ein Leitungssystem mit zwei Wärme¬ tauschern miteinander verbunden. In den Kolbenmaschinen, das Leitungssystem und die Wärmetauscher befindet sich Luft als Arbeitsmedium. Je nach Aufbau der Heißluftmaschine kann das Arbeitsmedium verschiedene Prozesse durchlaufen. Beispielsweise kann die Kompression und Expansion adiaba¬ tisch (Joule-Prozeß) oder isotherm (Ericson-Prozeß) verlaufen. In der Praxis sind solche idealisierte Prozesse jedoch nur annähernd durchführbar.
In mehreren verschiedenen Druckschriften sind Wärmekraft¬ maschinen offenbart, durch welche der Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine verbessert werden soll:
Die DE 41 01 500 AI offenbart eine mit einem Kreisprozeß arbeitende Wärmekraftmaschine mit einer Zylinderkammer, die durch einen Kolben begrenzt ist. In der Zylinderkammer ist eine Menge einer verdampfbaren Flüssigkeit als Arbeits- medium bei einer Ausgangstemperatur vorgesehen. In einer ersten Arbeitsphase vergrößert sich das Volumen der Zylinderkammer von einem inneren Totpunkt durch Auswärts- bewegung des Kolbens bis zu einem äußeren Totpunkt. Im unteren Totpunkt wird die Bewegung des Kolbens für eine vorgegebene Zeitspanne angehalten. Dadurch wird eine Kondensation des unterkühlten Dampfes der Flüssigkeit eingeleitet. Dies führt zu einem plötzlichen Druckabfall. In einer zweiten Arbeitsphase wird dann der Kolben zum inneren Totpunkt bewegt. Das abgekühlte Kondensat wird mittels eines Wärmetauschers auf die Ausgangstemperatur erwärmt. Bei der DE 41 01 500 AI besteht das Arbeitsmedium nur aus einer Komponente.
Durch die DE 42 44 016 C2 ist eine Wärmekraftmaschine der eingangs genannten Art bekannt, bei welcher das Arbeits- medium ein Zweistoffgemisch aus Stickstoff und Butan ist. Die Wärmekraftmaschine besteht aus einem auf einer Tempera¬ tur von 104, 5°C gehaltenen Kessel und einem mit dem Kessel und einem im Kessel angeordneten Wärmetauscher verbundenen Zylinder, welcher von einem Kolben abgeschlossen ist. Das Verhältnis der Konzentrationen von Stickstoff und Butan sowie die Ausgangstemperatur (Kesseltemperatur) werden dabei so gewählt, daß das Zweistoffgemisch bei der Ausgangstemperatur im Bereich der retrograden Kondensation und die Ausgangstemperatur zwischen den kritischen Tempera- turen von Stickstoff und Butan liegt. Durch Verwendung eines solchen Zweistoffgemisches soll der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine verbessert werden. Dies wird dadurch erreicht, daß die Expansion des Volumens des Zwei¬ stoffgemisches im Bereich der retrograden Kondensation so schnell erfolgt, daß die Kondensatbildung verzögert wird. Im äußeren Totpunkt des Kolbens geht das System aus diesem instabilen Zustand in den Gleichgewichtszustand über. Durch ein dabei auftretendes, besonderes Verhalten des Zweistoff¬ gemisches (Abknickung der Isobaren an der Phasengrenze) , ist dies ist mit einem Druckabfall verbunden. Dies erhöht die gleistete Arbeit bei gegebener Wärmezufuhr und verbessert also den Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine.
Die Eigenschaften von Mehrstoffgemischen sind beispiels¬ weise beschrieben in einem Buch von Stephan und Mayinger "Thermodynamik Grundlagen und technische Anwendungen", 11. Auflage, Band 2, Springer-Verlag, insbesondere S. 59-67.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine der eingangs genannten Art zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß
(c) das Arbeitsmedium ein Mehrstoffgemisch ist und
(d) das Mischungsverhältnis des Mehrstoffgemisches, der Arbeitsdruckbereich und der Arbeitstemperaturbereich der Wärmekraftmaschine εo gewählt wird, daß, bezogen auf das Verhalten eines Einstoff-Arbeitsmedium, die Temperatur des Mehrstoffgemisches in einem bestimmten Druckbereich bei abnehmendem Druck weniger sinkt und bei steigendem Druck weniger steigt. Ein solches Verhalten des Arbeitsmediums wirkt sich günstig auf den Wirkungsgrad aus . Die abzuführende Wärmemenge Qab wird dann nämlich kleiner und damit der Wirkungsgrad η größer (vgl. Gl . (2) ) .
Diese Verhältnisse werden noch günstiger, wenn das Mischungsverhältnis des Mehrstoffgemisches, der Arbeits¬ druckbereich und der Arbeitstemperaturbereich der Wärme¬ kraftmaschine so gewählt wird, daß die Temperatur des Mehr- stoffgemisches bei einer Druckänderung annähernd konstant bleibt.
Noch günstigere Verhältnisse für den Wirkungsgrad erhält man, wenn das Mischungsverhältnis des Mehrstoffgemisches, der Arbeitsdruckbereich und der Arbeitstemperaturbereich der Wärmekraftmaschine so gewählt wird, daß die Temperatur des Mehrstoffgemisches mit steigendem Druck sinkt und mit abnehmendem Druck steigt .
Überraschenderweise hat es sich gezeigt, daß es Stoff- gemische mit solchen Verhalten gibt. Solche Verhalten zeigt beispielsweise ein Mehrstoffgemisch aus Stickstoff und Butan in einem Mischungsverhältnis von ungefähr 10% Stick¬ stoff und 90% Butan. Ein Mehrstoffgemisch aus Stickstoff und Kohlendioxyd in einem Mischungsverhältnis von ungefähr 10% Stickstoff und 90% Kohlendioxyd zeigt ebenfalls solches Verhalten, wie auch ein Mehrstoffgemisch aus Wasserstoff und Kohlendioxyd in einem solchen Mischungsverhältnis. Es hat sich experimentell weiterhin gezeigt, daß diese Verhalten durch Zusatz von Wasser in geringen Mengen begünstigt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig.l ist eine schematische Darstellung und zeigt eine
Wärmekraftmaschine der hier vorliegenden Art .
Fig.2 zeigt in einem p-V-Diagramm die Zusatndsänderungen des Arbeitsmediums bei einem Kreisprozeß in einer Wärmekraftmaschine.
Fig.3 zeigt in einem Diagramm Messungen der Adiabaten- Exponenten K für ein Gemisch aus Stickstoff und Kohlendioxyd in verschiedenen Mischungs- Verhältnisse.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Anhand von Fig. 1 soll die Wirkungsweise einer Wärmekraft- maschine beschrieben werden. Eine erste Turbine ist mit 10 und eine zweite Turbine mit 12 bezeichnet. Durch die beiden Turbinen 10 und 12 streckt sich eine Welle 14. An der Welle 14 kann beispielsweise ein (nicht gezeigter) Generator zur Stromerzeugung angeschlossen sein. Dabei befindet sich die erste Turbine 10 an der sogenannten kalten Seite und die zweite Turbine 12 an der sogenannten warmen Seite der Wärmekraftmaschine.
Die beiden Turbinen 10 und 12 sind über ein Leitungssystem miteinander verbunden. Eine erste Leitung 16 verbindet die erste Turbine 10 mit dem Eingang der kalten Seite eines ersten Wärmetauschers 18. Der Ausgang der warmen Seite des ersten Wärmetauschers 18 ist über eine Leitung 20 mit dem Eingang der kalten Seite eines zweiten Wärmetauschers 22 verbunden. Der Ausgang der warmen Seite des zweiten Wärme¬ tauschers 22 ist über eine Leitung 24 mit der zweiten Turbine 12 verbunden. Eine Leitung 26 verbindet die zweite Turbine 12 mit dem Eingang der warmen Seite des ersten Wärmetauschers 18. Der Ausgang der kalten Seite des ersten Wärmetauschers 18 ist über eine Leitung 20 mit dem Eingang der warmen Seite eines dritten Wärmetauschers 30 verbunden. Der Ausgang der kalten Seite des dritten Wärmetauschers 30 ist über eine Leitung 32 mit der ersten Turbine 10 verbunden. Dieses System bildet ein geschlossenes System, in welchem das Arbeitsmedium der Wärmekraftmaschine eingeschlossen ist. Das Arbeitsmedium fließt in Richtung der Pfeile in Fig. 1.
Der Eingang der warmen Seite und der Ausgang der kalten Seite des zweiten Wärmetauschers 22 sind über Leitungen 34 und 36 mit einem ersten Kessel 38 verbunden. Der Eingang der kalten Seite und der Ausgang der warmen Seite des dritten Wärmetauschers 30 sind über Leitungen 40 und 42 mit einem zweiten Kessel 44 verbunden. Der erste Kessel 38 wird auf eine Temperatur T2 gehalten. Der zweite Kessel 44 wird auf eine Temperatur T4 gehalten, wobei T2>T4 ist. Das Arbeitsmedium wird in der ersten Turbine 10 auf den Druck pλ komprimiert. Es fließt dann über die Leitung 16 in den ersten Wärmetauscher 18. Hier wird das Arbeitsmedium von der Temperatur Tx auf eine Temperatur Tw erwärmt . Dies erfolgt im Gegenstromverfahren durch gleichzeitige Abkühlung des von der zweiten Turbine 12 kommenden Arbeits- mediums . Das Arbeitsmedium fließt dann weiter über die Leitung 20 in den zweiten Wärmetauscher 22. Hier wird das Arbeitsmedium von der Temperatur Tw auf die Temperatur T2 erwärmt. Dies erfolgt im Gegenstromverfahren durch gleich¬ zeitige Abkühlung des von dem ersten Kessel 38 kommenden Mediums . In der zweiten Turbine 12 wird das Arbeitsmedium dann entspannt, wodurch Arbeit geleistet wird. Das Arbeits- medium verläßt die zweite Turbine 12 unter dem Druck p3 und mit der Temperatur T3. Es fließt über die Leitung 26 in den ersten Wärmetauscher 18 und wird hier auf eine Temperatur Tk abgekühlt. Das Arbeitsmedium fließt dann weiter über die Leitung 28 in den dritten Wärmetauscher 30. Hier wird das Arbeitsmedium von der Temperatur Tk auf die Temperatur Tt abgekühlt. Dies erfolgt im Gegenstromverfahren durch gleichzeitige Erwärmung des von dem zweiten Kessel 44 kommenden Mediums .
Durch den ersten Wärmetauscher 18 ist es nicht möglich, das Arbeitsmedium aus der Leitung 16 auf die Temperatur T2 des
Arbeitsmediums aus der Leitung 26 zu erwärmen oder das
Arbeitsmedium aus der Leitung 26 auf die Temperatur Υ1 des Arbeitsmediums aus der Leitung 16 abzukühlen. Es gilt also immer T2>Tw>Tk>T1. Fig. 2 zeigt ein p-V-Diagramm und verauschulicht die Zustandsänderungen des Arbeitsmediums bei einem Durchlauf durch die Wärmekraftmaschine. Anhand von diesem Zustands- diagramm soll die Arbeitseweise der beschriebenen Wärme¬ kraftmaschine erläutert werden:
Das Arbeitsmedium verläßt die erste Turbine 10 unter einem Druck px und mit einer Temperatur rT1. Dies entspricht dem Punkt I in Fig. 2.
In einer ersten Arbeitsphase wird das Arbeitsmedium annähernd isobar (p1 = p2) von der Temperatur Tλ auf eine Temperatur T2 erwärmt, wobei das Volumen des Arbeitsmediums von einem Volumen Vx auf einem Volumen V2 zunimmt . Dabei wird in dem ersten Wärmetauscher 18 die Temperatur des Arbeitsmediums von Tx auf Tw und in dem zweiten Wärme¬ tauscher 22 Tw auf T2 erhöht.
In einer zweiten Arbeitsphase wird das Arbeitsmedium annähernd adiabatisch von dem Druck p2 auf einem Druck p3 entspannt und von dem Volumen V2 auf einem Volumen V3 expandiert, wobei die Temperatur von der Temperatur T2 auf die Temperatur T3 abnimmt .
In einer dritten Arbeitsphase wird das Arbeitsmedium annähernd isobar (p3 = p4) von der Temperatur T3 auf die Temperatur T4 abgekühlt, wobei das Volumen des Arbiets- mediums von dem Volumen V3 auf einem Volumen V4 abnimmt .
In einer vierten Arbeitsphase wird das Arbeitsmedium annähernd adiabatisch von dem Druck p4 auf dem Druck p: und von dem Volumen V4 auf dem Volumen Vx komprimiert, wobei die Temperatur sich von der Temperatur T4 auf die Temperatur Tx ändert .
Das p-V-Diagramm bildet eine geschlossene Kurve, die eine Fläche umschließt und im Uhrzeigersinn durchlaufen wird. Die Wärmekraftmaschine leistet daher bei jedem Zyklus mechanische Arbeit.
In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel arbeitet die erste Turbine 10 als Verdichter und die zweite Turbine 12 als Maschine. Über die Welle 14 wird die Turbine 10 von der Turbine 12 angetrieben. Es sei erwähnt, daß nicht nur Turbinen verwendet werden können, sondern beispielsweise auch Kolbenmaschinen. Weiterhin sei erwähnt, daß die hier beschriebene Wärmekraftmaschine nach dem sogenannten Joule- Prozeß arbeitet. Die Erfindung ist aber nicht beschränkt auf Wärmekraftmaschinen, welche nach diesem Arbeitsdiagramm arbeiten, sondern findet für alle Wärmekraftmaschinen Anwendung.
Erfindungsgemäß wird nun als Arbeitsmedium ein Mehrstoff- gemisch verwendet . In verschiedenen Experimenten hat es sich gezeigt, das Stoffgemische aus ca. 90% Kohlendioxyd und ca. 10% Stickstoff und Stoffgemische aus ca. 90% Butan und ca. 10% Stickstoff auffallende Eigenschaften zeigen. Diese Eigenschaften werden noch weiter verstärkt, wenn den Stoffgemischen Wasser in geringen Mengen zugeführt werden. Folgende Effekte sind experimentell beobachtet worden: Wenn in einen mit (gasförmigem und flüssigem) Kolendioxyd gefüllten, geschlossenen Behälter bei einer Temperatur von 0°C Stickstoff eingeleitet wird, dann erhöht sich, wie erwartet, der Druck in dem Behälter. Überraschenderweise sinkt dabei die Temperatur auf ca. -10°C ab. Der selbe Effekt tritt auch mit Wasserstoff statt Stickstoff sogar in verstärkter Form auf. Dieser Effekt ist auch bei Ausgangs¬ temperaturen bis +20°C zu beobachten. Über +20°C wird der Effekt nicht mehr beobachtet. Das Absinken der Temperatur mit steigendem Druck wird nur bei kleinen Einfüllmengen von Stickstoff beobachtet. Wenn der Stickstoffgehalt ca. 20% übersteigt, verschwindet der Effekt ebenfalls. Wenn man also ein Arbeitsmedium aus ca. 90% Kohlendioxyd und ca. 10% Stickstoff in einer Wärmekraftmaschine verwendet, und Tx auf 0°C hält (s. Fig. 2) , dann wird das Arbeitsmedium bei der Kompression in der Turbine 10 nur wenig erwärmt.
Anders verhält sich ein Gemisch aus ca. 90% Butan und ca. 10% Stickstoff. Wenn ein solches Gemisch bei einer Ausgangstemperatur von 94°C von einem Druck von ca. 127 bar auf einen Druck von ca. 100 bar expandiert wird, dann steigt die Temperatur des Gemisches auf ca. 127°C. Wenn der Druck wieder auf 127 bar erhöht wird, sinkt die Temperatur auf die Ausgangstemperatur wieder ab. Bei bekannten Stoffen und Stoffgemische erwartet man ein umgekehrtes Verhalten erwarten.
Eine weitere Eigenschaft dieser Stoffgemische wirkt sich auf den Wirkungsgrad η einer Wärmekraftmaschine günstig aus. Es läßt sich zeigen, daß bei adiabatischer Zustands- änderung eines Gases der Kurvenverlauf durch die Gleichung ( 3 ) pVκ = C ,
sehr gut beschrieben wird, wobei C eine Konstante ist.
Messungen des Adiabaten-Exponenten K für ein Stoffgemisch aus Kohlendioxyd und Stickstoff in verschiedenen Konzentra¬ tionen bei einer Temperatur von 0°C haben gezeigt, daß K sehr niedrige Werte unter 1 hat . Diese Messungen sind in Fig. 3 aufgeführt. Rechts oben in der Fig. 3 sind die verschiedenen Werte für K bei Stickstoffkonzentationen von C=0,1 bis C=1,0 aufgeführt.
Der Wert von K hat eine Auswirkung auf den Abfall des adiabatischen Kurvenverlaufs von dem Punkt II zu dem Punkt III in dem Zustandsdiagramm in Fig. 2. Je kleiner K ist, desto flacher verläuft dieser Kurvenabschnitt und je flacher dieser Kurvenabschnitt ist, desto größer wird die von der Kurve umschlossene Fläche und damit auch die bei jedem Zyklus geleistete Arbeit der Wärmekraftmaschine. Als Arbeitsmedium in einer Wärmekraftmaschine erhält man also auch durch diese Eingenschaft einen höheren Wirkungsgrad als mit herkömmlichen Stoffen oder Stoffgemischen.

Claims

Patentansprüche
1. Mit einem Kreisprozeß arbeitende Wärmekraftmaschine, enthaltend
(a) einen abgeschlossenen Raum, in dem ein Arbeits¬ medium eingeschlossen ist,
(b) Wärmeaustauschmittel, mittels denen dem Arbeits¬ medium Wärme zu- und abgeführt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
(c) das Arbeitsmedium ein Mehrstoffgemisch ist und
(d) das Mischungsverhältnis des Mehrstoffgemisches, der Arbeitsdruckbereich und der Arbeitstemperatur¬ bereich der Wärmekraftmaschine so gewählt wird, daß, bezogen auf das Verhalten eines Einstoff- Arbeitsmedium, die Temperatur des Mehrstoff- gemisches in einem bestimmten Druckbereich bei abnehmendem Druck weniger sinkt und bei steigendem Druck weniger steigt .
2. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, daß das Mischungsverhältnis des Mehrstoff- gemisches, der Arbeitsdruckbereich und der Arbeits- temperaturbereich der Wärmekraftmaschine so gewählt wird, daß die Temperatur des Mehrstoffgemisches bei einer Druckänderung annähernd konstant bleibt.
3. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das Mischungsverhältnis des Mehrstoff- gemisches, der Arbeitsdruckbereich und der Arbeits- temperaturbereich der Wärmekraftmaschine so gewählt wird, daß die Temperatur des Mehrstoffgemisches mit steigendem Druck sinkt und mit abnehmendem Druck steigt .
4. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Mehrstoffgemisch Stick- stoff und Butan enthält.
5. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Mehrstoffgemisch Stick¬ stoff und Kohlendioxyd enthält.
6. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Mehrstoffgemisch Wasserstoff und Kohlendioxyd enthält.
7. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß das Mehrstoffgemisch Wasser enthält .
EP97905088A 1996-02-26 1997-02-26 Mit einem kreisprozess arbeitende wärmekraftmaschine Withdrawn EP0880640A1 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19608300A DE19608300A1 (de) 1996-02-26 1996-02-26 Mit einem Kreisprozeß arbeitende Wärmekraftmaschine
DE19608300 1996-02-26
PCT/EP1997/000915 WO1997032114A1 (de) 1996-02-26 1997-02-26 Mit einem kreisprozess arbeitende wärmekraftmaschine

Publications (1)

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EP0880640A1 true EP0880640A1 (de) 1998-12-02

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ID=7787165

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Application Number Title Priority Date Filing Date
EP97905088A Withdrawn EP0880640A1 (de) 1996-02-26 1997-02-26 Mit einem kreisprozess arbeitende wärmekraftmaschine

Country Status (6)

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EP (1) EP0880640A1 (de)
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