EP1527257A1 - Verfahren zur energieumwandlung und vorrichtung dazu - Google Patents

Verfahren zur energieumwandlung und vorrichtung dazu

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EP1527257A1
EP1527257A1 EP03790678A EP03790678A EP1527257A1 EP 1527257 A1 EP1527257 A1 EP 1527257A1 EP 03790678 A EP03790678 A EP 03790678A EP 03790678 A EP03790678 A EP 03790678A EP 1527257 A1 EP1527257 A1 EP 1527257A1
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EP
European Patent Office
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heat
working gas
pressure
pressure vessel
gas
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03790678A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Arnold Berdel
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Individual
Original Assignee
Individual
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Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP1527257A1 publication Critical patent/EP1527257A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • F01K25/08—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 special vapours
    • F01K25/10—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 special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
    • 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
    • F01K27/00—Plants for converting heat or fluid energy into mechanical energy, not otherwise provided for
    • F01K27/005—Plants for converting heat or fluid energy into mechanical energy, not otherwise provided for by means of hydraulic motors

Definitions

  • FIG. 8 shows a schematic illustration of the device according to FIG. 7 in an alternative embodiment.
  • Fig. 1 shows a Carnot process that starts at point 1.
  • a quantity of heat supplied is partially converted into technical work W, with a working gas being expansive from point 1 to point 2. diert.
  • Tj the area and thus also the heat conversion below the Tj isotherm increases.
  • Starting point 1 should therefore be controlled periodically.
  • Carnot chooses the lowest possible temperature T 2 in the vicinity of the ambient temperature.
  • the working gas is compressed isothermally from point 3 to point 4.
  • the amount of heat expelled Q 2 corresponds to the work done on the gas. From point 4 to point 1 there is an adiabatic compression of the working gas, the temperature of which increases from T 2 to Ti.
  • the pressure force of the working gas acts on the piston from one side and the air pressure p Lc ⁇ of the environment from the other side. Both pressures and the corresponding forces are in amount and Direction the same size but directed in opposite directions.
  • the working gas temperature T 3 at point 5 is lower than the working gas temperature T 2 and has reached the minimum.
  • the working gas uses the temperature difference to the environment and absorbs heat.
  • the temperature of the working gas rises and its volume increases under the action of the piston isobarically.
  • the piston is moved to the right in the direction of point 3.
  • the process ends when the temperature of the working gas has reached the ambient temperature T2.
  • the left-handed cycle ends at point 3.
  • the expansion work done by the working gas is less than the compression work done.
  • the process flow for reproductive work efficiency between points 5 and 3 is significant for the technical use of ambient heat.
  • the working gas temperature is T 3 for the piston position in point 5 and T 2 for the piston position in point 3.
  • the working gas expands from T 3 to T 2 , where T 3 ⁇ T 2
  • the piston does mechanical work on the environment. This work cannot be used technically. Nevertheless, there are other starting points here that show how a thermal process can be controlled in order to use the ambient heat or generally use thermal energy more efficiently.
  • the atmospheric air pressure acts on the piston at point 5 or at piston position 5 as an equally large, oppositely directed force.
  • the process flow direction changes.
  • the piston does mechanical work due to the internal energy of the working gas.
  • the working gas temperature drops from Ti to T 3 .
  • the working gas absorbs ambient heat and performs mechanical work due to the amount of heat supplied.
  • the working gas temperature rises and the gas volume increases. Due to the infinitesimally higher gas working pressure, the piston moves in the direction of point 3 and does mechanical work.
  • the working gas reaches the temperature T 2 . Further heat absorption is no longer possible. Reproductive energy generation ends at the expense of ambient heat.
  • a working gas along the isotherms i takes heat from a heat container, the temperature of which does not change during the process, and does the corresponding amount of mechanical work.
  • the work generated corresponds to the area under the isotherms Ti according to FIGS. 2 and 3 and is limited by the curve points 1-2-bal.
  • an external force F mech x acts on the piston at point x, which force can be generated, for example, by a hydrostatic water column, the height of which does not change during the process.
  • the internal working gas force F t hx r acts on the piston and is calculated from the working gas pressure at x multiplied by the piston area A.
  • the working temperature is T x ⁇ Ti.
  • the internal force F th x acting on the piston forms an equilibrium of forces with the external force F meC h x - the isentropic expansion of the working gas stops .
  • the isentropic mechanical work corresponds to the area 1-xfal. Thermal energy generation has not yet ended.
  • the amount of heat Q is more of a type of thermal field property in which the heat conversion process takes place. Such an assumption makes perfect sense.
  • the amount of heat Q zu cannot be completely transferred into work based on force theoretical assumptions. However, as far as conversion is theoretically possible, the energy conservation rate applies without exception.
  • FIG. 4 shows the isobaric change in state of a gas between the Ti and T 2 isotherms.
  • An imaginary frictionless, mass-free piston moves within the pressure cylinder 10 on the path s.
  • the piston in the pressure cylinder 10 is in position X.
  • the pressure cylinder 10 is in a heat bath with the temperature Ti.
  • the temperature of the working gas is T 2 ⁇ i.
  • the external force F meCh hydrostatic column, the height of which does not change during the process acts on the piston, creating a balance of forces Working gas pressure forms (F t h) -
  • the walls of the pressure cylinder 10 are heat-permeable.
  • the pressure cylinder 10 is accommodated in a heat bath with the temperature T 2 .
  • the working gas has the temperature Ti.
  • the applied force F mech shifts (hydrostatic column) the piston from Y to X.
  • the mechanical force F mech performs work on Ar ⁇ beitsgas adäguate and a quantity of heat is dissipated via the temperature gradient .DELTA.T 2 to the environment.
  • a state of equilibrium occurs again.
  • the working gas temperature is identical to the ambient temperature T. The system becomes static again and the movement of the piston ends.
  • the working gas is initially at the process starting point 1.
  • the working gas pressure ⁇ with the working gas temperature Ti forms a balance of forces with the external mechanical force -F mech .
  • the working gas expands isothermally from point 1 to point 2. Such a process is not technically possible because an entropy gap must be kept open.
  • the system has valves 14 to 18, which are initially closed.
  • the pressure vessel 12 is connected to the heat pump 11 via two transport lines 19 for supply and return.
  • high tanks 20, 21 coupled to the risers 13 and arranged at different heights and the pressure tank 12 are built relatively flat.
  • the vapor pressure of the refrigerant is above 5 bar at ambient temperature (approx. 280 K).
  • the refrigerant is compressed and liquefied by the heat pump 11.
  • the density of the liquefied refrigerant is lower than the density of water and the refrigerant is chemically neutral to water.
  • the valves 16, 18 are opened so that the refrigerant passes from the heat pump 11 via the one feed line 19 to the pressure vessel 12, which is now connected to the upper elevated tank 20 via the one riser line 13.
  • the feed line 19 is fed in and the valve 18 inserted in the feed line 19 is closed, the refrigerant begins to evaporate and displaces a corresponding volume of water to the elevated tank 20
  • Evaporation process ends when the gas pressure of the refrigerant and the hydrostatic pressure of the water column has reached a stable equilibrium.
  • the potential energy of the water obtained in the elevated tank 20 corresponds to the amount of heat absorbed and is higher than the mechanical work involved.
  • the system presented is mainly used for simple reasoning. An absolute energy yield is not considered here.
  • the process control for using the environmental heat ends prematurely here.
  • the valve 15 to the lower elevated tank 21 is closed and the valve 17 inserted into the feed line 19 designed as a return is opened.
  • the working gas, ie the refrigerant is supplied to the heat pump 11 for compression due to the prevailing excess pressure via the feed line 19.
  • valve 1 opens.
  • the denser water pushes the remaining refrigerant via the feed line 19 to the heat pump 11 and at the same time fills the pressure vessel 12.
  • the refrigerant circuit is closed.
  • the potential energy of the water obtained from the process is converted into electrical energy by means of a water turbine 22 if required.
  • a power plant 23 for generating electrical energy, the power plant 23 being able to be designed, for example, as a thermal, wind or photovoltaic power plant, which is connected via electric lines 24 to compressors 25 for compressing gas (air) as well as a water turbine 22 is connected to generate electricity.
  • the power plant 23 Electricity for driving the compressors 25 is supplied.
  • the compression work is converted into heat and given off for heating purposes.
  • the compressed air reservoir 27 is connected via a control valve 28 to the pressure tank 12 filled with water.
  • the pressure vessel 12 is coupled to a water reservoir 31 via a feed line 29 and a return line 30. There is a height difference ⁇ h between the water surface in the water reservoir 31 and the lower edge of the pressure vessel 12.
  • shut-off valves 32, 33 inserted into the feed line 29 and the return line 30 are closed.
  • the gas acts on the water inside the pressure vessel 12 due to its expansion, so that the hydrostatic pressure ( ⁇ h) inside the pressure vessel 12 rises to the gas pressure p.
  • the shut-off valve 32 inserted into the feed line 29 opens, the water flows from the pressure vessel 12 with the pressure into the water turbine 22, which converts the mechanical energy into electrical energy.
  • the gas expands from ⁇ p to ⁇ h, absorbing ambient heat.
  • the heat exchange between the water and the gas is influenced by appropriately dimensioning the flow line 29 or adjusting the flow rate by appropriately adjusting the control valve 28 or shut-off valve 32 or by inserting a control valve into the flow line.
  • the water turbine 22 supplies the electrical energy obtained from the mechanical work via the electrical lines 24 to the power plant 23 or end user.

Abstract

Bei einem Verfahren zur Energieumwandlung nach einem geschlossenen thermodynamischen Kreisprozess, insbesondere nach dem Carnot-Prozess, unter der Nutzung eines Arbeitsgases, dem zur Verrichtung von Arbeit Wärme zugeführt wird, wird die Temperatur des Arbeitsgases durch einen auf das Arbeitsgas einwirkenden mechanischen Gegendruck gesteuert, der zum Druck des Arbeitsgases proportional und entgegengerichtet ist.

Description

Verfahren zur Energieumwandlung und Vorrichtung dazu
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Energieumwandlung nach einem geschlossenen thermodynamischen Kreispro- zess, insbesondere nach dem Carnot-Prozess, unter der Nutzung eines Arbeitsgases, dem zur Verrichtung von Arbeit Wärme zugeführt wird, und eine Vorrichtung dazu.
Der Carnotsche Kreisprozess besitzt einen relativ hohen thermischen Wirkungsgrad, der nur von der oberen und der unteren Grenztemperatur abhängig ist. Die technische Realisierung diese Kreisprozesses ist jedoch schwierig, da eine isotherme Zustandsänderung praktisch nicht durchführbar und eine adia- bate Kompression wegen der auftretenden Drücke nur innerhalb kleiner Temperaturbereiche möglich ist.
In der Praxis ist es erforderlich, dass Kraftwerkbetreiber bzw. Energieversorgungsunternehmen die Spannung im elektrischen Netz zur Sicherung der Versorgung ihrer Kunden konstant halten. Um Verbrauchsschwankungen auszugleichen, ist es erforderlich, neben der zur Sicherung einer Grundlast benötigten Energie ständig eine Energiereserve bereitstellen, die zumindest teilweise in Pumpspeicherkraftwerken vorgehalten wird. In Zeiten mit einem relativ geringen Energieverbrauch, meist nachts, wird elektrische Energie dazu verwendet, Wasser in dem Pumpspeicherkraftwerk auf ein relativ hohes Höhenniveau zu pumpen, um potentielle Energie zum Antrieb von Wasserturbinen zur Stromerzeugung in Zeiten relativ hohen Energiebedarfs zu speichern. Durch den Einsatz von einen relativ schlechten Wirkungsgrad aufweisenden Pumpspeicherkraftwerken verringern sich die Vorhaltekosten bei den Wärmekraftwerken, deren Energie zur Abdeckung von Verbrauchsspitzen eingesetzt wird. Auch die Nutzung alternativer Energie, also Windkraft oder Solarstrahlung, erweist sich bei der konstanten Stromversorgung als problematisch, da bei nicht vorhandenem Wind oder ungenügender Sonnenstrahlung die Kapazität eines Windoder Solarkraftwerkes durch ein konventionelles Kraftwerk bereitgestellt werden muss, das sich bei zur Stromerzeugung ausreichender Windkraft oder Solarstrahlung lediglich in einem Bereitschaftszustand befindet. Somit entstehen für Energieversorgungsunternehmen bzw. Kraftwerkbetreiber hohe Bereitstellungskosten für Energie zur Abdeckung von Spitzenlasten beim Stromverbrauch, die einen wesentlichen Teil der Bezugskosten des Stroms für den Verbraucher darstellen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit denen eine optimierte Prozessführung gewährleistet ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 3 gelöst.
Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung dar .
Mit der erfindungsgemäßen Art der Temperatursteuerung bei dem Kreisprozess wird eine effiziente Prozessführung erzielt, die eine relativ hohe Energieausbeute unter einem hohen Wirkungsgrad zur Folge hat. Diese Prozessführung resultiert aus Überlegungen bezüglich der Geltung des dritten Newtonschen Axioms in der Thermodynamik.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind. Der Rahmen der vorliegenden Erfindung ist nur durch die Ansprüche definiert.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand mehrerer Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig.l Darstellungen eines Kreisprozesses nach dem erfin- bis dungsgemäßen Verfahren, Fig. 6
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des Prozesses und
Fig. 8 eine schematische Darstellung .der Vorrichtung nach Fig. 7 in einer alternativen Ausgestaltung.
Fig. 1 zeigt einen Carnot-Prozess, der bei Punkt 1 startet. In diesem idealisierten Prozessablauf wird eine zugeführte Wärmemenge teilweise in technische Arbeit W überführt, wobei ein Arbeitsgas von Punkt 1 nach Punkt 2 isotherm expan- diert. Mit steigender Temperatur i vergrößert sich die Fläche und damit auch der Wärmeumsatz unterhalb der Tj-Isother- me . Für eine technische Anwendung muss ein Vorgang beliebig oft wiederholt werden. Ein einmaliger Vorgang liefert nur begrenzte Arbeit. Der Startpunkt 1 ist daher periodisch anzusteuern. Carnot wählt eine möglichst niedrige Temperatur T2 in der Nähe der Umgebungstemperatur. Das Arbeitsgas wird isotherm von Punkt 3 nach Punkt 4 verdichtet. Die ausgetriebene Wärmemenge Q2 entspricht der aufgewandten Arbeit am Gas. Von Punkt 4 nach Punkt 1 erfolgt eine adiabate Kompression des Arbeitsgases, wobei dessen Temperatur von T2 auf Ti steigt.
Zur Veranschaulichung der Kompression und der Expansion des Arbeitsgases ist unterhalb des Kreisprozesses ein Druckzylinder 10 mit einem Kolben dargestellt. Auf dem Weg von Punkt 3 nach Punkt 4 wird dem Arbeitsgas Wärme ausgetrieben. Die innere Energie des Arbeitsgases ist bei Punkt 1 kleiner als bei Punkt 3. Ohne Wärmezufuhr kann der gedachte, reibungsfrei gelagerte Kolben im Druckzylinder 10 den Anfangspunkt 3 der Kompression nicht erreichen. Den möglichen Rückweg, den der Kolben aufgrund der inneren Energie des Arbeitsgases zurücklegen wird, ist durch die gestrichelte Linie dargestellt. Bei der Temperatur i beginnt die isentrope Expansion in Richtung Punkt 4. Anders als bei der Verdichtung ändert der Kolben des Druckzylinders 10 bei Punkt 4 nicht die Abiaufrichtung sondern leistet isentrope Arbeit bis Punkt 5. Die geleistete Arbeit entspricht der Fläche unter der Isentropen 1-4-5. Bei Punkt 5 tritt eine Richtungsänderung ein. Am Kolben greift von der einen Seite die Druckkraft des Arbeitsgases und von der anderen Seite der Luftdruck pLcι der Umgebung an. Beide Drücke bzw. die entsprechenden Kräfte sind in Betrag und Richtung gleich groß aber entgegengesetzt gerichtet. Die Arbeitsgastemperatur T3 bei Punkt 5 ist kleiner als die Arbeitsgastemperatur T2 und hat das Minimum erreicht.
Unter der Annahme, dass die Wände des Druckzylinders 10 wärmedurchlässig sind, nutzt das Arbeitsgas die Temperaturdifferenz zur Umgebung und nimmt Wärme auf. Die Temperatur des Arbeitsgases steigt und sein Volumen vergrößert sich unter der Wirkung des Kolbens isobar. Hierbei wird der Kolben nach rechts in Richtung Punkt 3 verschoben. Der Vorgang endet, wenn die Temperatur des Arbeitsgases die Umgebungstemperatur T2 erreicht hat. Der linksläufige Kreisprozess endet bei Punkt 3. Die vom Arbeitsgas verrichtet Expansionsarbeit ist geringer als die aufgewandete Verdichtungsarbeit.
Zur technischen Nutzung der Umgebungswärme ist der Prozessablauf zur reproduktiven Arbeitsausbeute zwischen den Punkten 5 und 3 bedeutungsvoll. Bei der Kolbenstellung in Punkt 5 beträgt die Arbeitsgastemperatur T3 und bei der Kolbenstellung in Punkt 3 T2. Das Arbeitsgas expandiert von T3 nach T2, wobei T3 < T2 ist
Im Abschnitt 5-3 nimmt das Arbeitsgas die Wärmemenge Qzu auf. Wärme wird bei dieser isobaren Prozessführung nicht abgeführt. Mithin ist anzunehmen, dass die zugeführte Wärmemenge Q2U vollständig in mechanische Arbeit überführt wird (W = Qzu = ΔV * p) . Die mechanische Arbeit wird an die Umgebung geleistet und ist energetisch nicht zu verwerten. Dennoch finden sich hier die entscheidenden Ansatzpunkte zur Nutzung der Umgebungswärme . Der in Fig. 2 dargestellte Kolben des Druckzylinders 10 bewegt sich während der isobaren Zustandsänderung von Punkt 5 nach Punkt 3. Das Volumen wächst bei konstantem Druck p um den Betrag ΔV und leistet Arbeit (W = p * ΔV) . Der auf den Kolben wirkende Druck errechnet sich aus p = F/A, wobei A die Fläche des Kolbens beschreibt. Die Volumenänderung ist definiert durch ΔV = A * s, wobei A die Fläche des Kolbens und s den zurückgelegten Weg des Kolbens aufgrund der zugeführten Wärmemenge Q2U beschreibt.
Der direkte Zusammenhang zwischen der Wärmemenge Qzu und der verrichteten isobaren Arbeit (Wth) des Arbeitsgases wird wie folgt beschrieben:
Wth = mech = Qzu = F * S.
Der Kolben leistet mechanische Arbeit an der Umgebung. Diese Arbeit ist technisch nicht verwertbar. Dennoch finden sich hier weitere Ansatzpunkte, die zeigen, wie ein thermischer Prozess zu steuern ist, um die Umgebungswärme zu nutzen bzw. Wärmeenergie generell effizienter einzusetzen.
Übt ein Körper auf einen anderen eine Kraft aus, so erfährt er von diesem eine entgegengerichtete gleiche Kraft. Kräfte treten immer paarweise und entgegengerichtet auf (F' =-F) . Dieses Reaktions- oder Wechselwirkungsprinzip ist von grundsätzlicher Natur. Liegen die Angriffspunkte von F und -F' in zwei verschiedenen Körpern entspricht dieser Zustand dem Newtonschen Reaktions- oder Wechselwirkungsprinzip.
Wenn zwei Kräfte an einem Körper (Kolben) angreifen (dem Betrag nach gleich oder ungleich, entgegengerichtet), so han- delt es sich nicht um Kraft und Reaktionskraft im Sinne des dritten Newtonschen Axioms. Im Falle des gleichen Betrages werden diese als Kompensationskräfte bezeichnet. Das grundlegende Newtonsche Gesetz muss sich gleichfalls in der Thermodynamik nachweisen lassen.
In Fig. 2 zeigt die isobare Zustandsänderung zwischen den Punkten 5 und 3, dass das Newtonsche Axiom gültig ist. Nach der Gleichung th = WmeCh = F * s wirkt eine Kraft F über den Weg s .
Greift eine thermische Kraft Fth (Gasdruck) am Kolben an, dann muss dieser Kraft eine mechanische Kraft FmeCh entgegenwirken .
Nach den Annahmen zu Fig. 2 greift beim Punkt 5 bzw. bei der Kolbenstellung 5 der atmosphärische Luftdruck am Kolben als gleichgroße, entgegengesetzt gerichtete Kraft an. Die Prozessablaufrichtung ändert sich. Entlang der Isentrope 1-4-5 leistet der Kolben mechanische Arbeit aufgrund der inneren Energie des Arbeitsgases. Die Arbeitsgastemperatur fällt von Ti auf T3. Ab Punkt 5 bzw. der Kolbenstellung 5 nimmt das Arbeitsgas Umgebungswärme auf und leistet mechanische Arbeit aufgrund der zugeführten Wärmemenge. Die Arbeitsgastemperatur steigt und das Gasvolumen vergrößert sich. Der Kolben bewegt infolge des infinitesimal höheren Gasarbeitsdruckes sich in Richtung Punkt 3 und leistet mechanische Arbeit. Am Punkt 3 bzw. in der Kolbenstellung 3 erreicht das Arbeitsgas die Temperatur T2. Eine weitere Wärmeaufnahme ist nicht mehr möglich. Die reproduktive Energieerzeugung auf Kosten der Umgebungswärme endet . Nach Carnot nimmt ein Arbeitsgas entlang der Isothermen i aus einem Warmebehalter, dessen Temperatur sich wahrend des Vorganges nicht ändert, Warme auf und leistet die entsprechende Menge mechanischer Arbeit. Die erzeugte Arbeit entspricht gemäß Fig. 2 und 3 der Flache unter der Isothermen Ti und wird von den Kurvenpunkten 1-2-b-a-l begrenzt.
Bei der kraftetheoretischen Betrachtung taucht hier ein enormes Problem auf. Das Arbeitsgas expandiert - sich selbst u- berlassen - isentrop von Punkt 1 in Richtung Punkt 5. Die Reaktionskraft wird durch Gasmolekule erzeugt. Die regellose Bewegung der Gasmolekule ändert sich im Mittel in eine zielgerichtete Bewegung. Für diese Richtungsanderung muss die Massenträgheit der Gasmolekule überwunden werden.
Gemäß Fig. 3 greift beim Punkt x am Kolben eine äußere Kraft Fmech x an, die z.B. durch eine hydrostatische Wassersaule, deren Hohe sich wahrend des Vorganges nicht verändert, erzeugt werden kann.
Auf den Kolben wirkt beim Punkt x gleichzeitig die innere Arbeitsgaskraft Fth xr die sich aus dem Arbeitsgasdruck bei x multipliziert mit der Kolbenflache A berechnet. Die Arbeitstemperatur betragt Tx < Ti. Die innere, am Kolben angreifende Kraft Fth x bildet ein Kräftegleichgewicht mit der von außen angreifenden Kraft FmeChx- Die isentrope Expansion des Arbeitsgases bricht ab. Die isentrop erzeugte mechanische Arbeit entspricht der Flache 1-x-f-a-l. Die thermische Energieerzeugung ist noch nicht beendet.
Obwohl im Punkt x ein momentanes Kräftegleichgewicht vor- liegt, befindet sich das System in einem thermischen Un- gleichgewichtszustand . Nach Carnot sollte der Prozess bei einer Arbeitsgastemperatur Ti ablaufen. Diese Arbeitsgastemperatur kann nicht angenommen werden. Stattdessen ist eine Arbeitsgastemperatur Tx (Tx < Ti) als Temperatur im Druckzylinder anzusetzen. Über die warmedurchlassigen Wände des Druckzylinders wird dem Arbeitsgas Warme zugeführt und die Ar- beitsgastemperatur steigt.
Die Wärmezufuhr an das Arbeitsgas erzeugt eine Zustandsande- rung, die isobar erfolgt. Der Kolben bewegt sich dann nach rechts, wenn die Bedingung Kraft Fth > FmΘch erfüllt ist. Dabei wird sich die thermische Aktionskraft Fth im Betrag nur infinitesimal von der angreifenden Reaktionskraft FmeCh unterscheiden. Der Kolben strebt den Kräfte-Gleichgewichtszustand an und legt den Weg Δs zurück. Hierbei wird die zugefuhrte Wärmemenge in mechanische Arbeit umgewandelt. In Fig. 3 entspricht diese Umwandlungsrate der Flache unter der Isobaren x-y.
Anhand von Fig. 3 lasst sich noch eine weitere Aussage ableiten. Zu Beginn der isobaren Zustandsanderung beim Punkt x ist das wirksame Temperaturgefalle ΔTi > ΔT2. Damit lassen sich direkte Aussagen zur die Leistungsfähigkeit des Prozesses treffen. Der Wärmedurchgang und damit die übertragbare Wärmemenge Qzu, durch eine warmedurchlassige Wand ist von folgenden Faktoren abhangig:
Q= Qzu =k A t ΔT= Wmech mit :
Q die durch die ebene Wand übertragene Wärmemenge k Warmedurchgangskoeffizient A Durchgangsfläche t Zeit oder Dauer des Wärmedurchganges
ΔT Temperaturdifferenz vor und hinter der Wand.
Fig. 3 zeigt, dass die Temperaturdifferenz ΔT zwischen der Ti-Isothermen und der Arbeitsgastemperatur variabel ist. Vom Maximum beim Prozesspunkt x verringert sich die Temperaturdifferenz ΔT stetig bis hin zum Endpunkt y auf null. Der thermische Ungleichgewichtszustand, die Vorraussetzung für den Wärmefluss, besteht nicht mehr. Das System hat den Gleichgewichtszustand erreicht. Wärme kann nicht mehr in mechanische Arbeit umgewandelt werden.
Wie oben stehende Gleichung zeigt, endet die theoretische Umwandlungsmöglichkeit von Wärme in mechanische Arbeit vorerst bei Punkt y. Technische Probleme treten bereits zu einem früheren Zeitpunkt auf, wenn die Leistungsfähigkeit des Prozesses beurteilt wird. Unter Leistung versteht man das Verhältnis der verrichteten Arbeit zur benötigten Zeit.
P=W/t=Qzu/t Somit verringert sich die thermische Umwandlungsgeschwindigkeit von Wärme in mechanische Arbeit, wenn ΔT sehr klein wird. Zwar ist der Prozess noch immer energetisch fruchtbar, jedoch wird die Zeit t, in der eine Wärmemenge Qzu umgesetzt wird, sehr groß. Ein großer Betrag im Nenner bedeutet, dass die Wärmemenge Qzu nur sehr leistungsschwach umsetzt und letztlich technisch unbrauchbar wird.
Die Thermodynamik trägt diesem Umstand im Ansatz Rechnung. Nach thermodynamischer Auffassung wird einem Prozess die Wärmemenge Qzu als thermische Energie zugeführt. Diese thermi- sehe Energie (Qzu) kann nach der Annahme entsprechend dem dritten Newtonschen Axiom nicht vollständig in Arbeit überführt werden. Den Fehlbetrag, der sich aus dem Energieerhaltungssatz einstellt, bezeichnet die Thermodynamik als Entropiemenge .
Wie sich nachfolgend zeigen lässt, stellt die Wärmemenge Qzu eher eine Art thermische Feldeigenschaft dar, in der der Wär- meumwandlungsprozess abläuft. Eine solche Annahme ist durchaus sinnvoll. Die Wärmemenge Qzu lässt sich aus kräftetheoretischen Annahmen heraus nicht vollständig in Arbeit überführen. Soweit jedoch eine Umwandlung kräftetheoretisch möglich ist, gilt der Energieerhaltungssatz ausnahmslos.
Der Umwandlungsprozess von Wärme in mechanische Arbeit ist zweifelsfrei nicht ausschließlich von einem thermischen Wirkungsgrad abhängig. Wärme wird dann in mechanische Arbeit umgewandelt, solange sich das Kräftepaar Fth =-Fmech im Ungleichgewichtszustand befindet. Das Kräftepaar strebt den Gleichgewichtszustand an und erzeugt entweder mechanische Arbeit oder am System wird Arbeit geleistet.
Fig. 4 zeigt die isobare Zustandsänderung eines Gases zwischen den Ti- und T2-Isothermen. Innerhalb des Druckzylinders 10 bewegt sich ein gedachter reibungsfrei gelagerter, massenloser Kolben auf der Wegstrecke s. Der Kolben im Druckzylinder 10 steht bei Stellung X. Der Druckzylinder 10 befindet sich in einem Wärmebad mit der Temperatur Ti. Die Temperatur des Arbeitsgases betrage T2 < i . Am Kolben greife die äußere Kraft FmeCh (hydrostatische Säule, deren Höhe sich während des Vorganges nicht ändert) an, die ein Kräftegleichgewicht zum Arbeitsgasdruck bildet (Fth)- Die Wände des Druckzylinders 10 sind wärmedurchlässig.
Unter diesen Annahmen wird dem Arbeitsgas über die Wände Wärme zugeführt und der Kolben bewegt sich isobar in Richtung zur Stellung Y. Dabei wird die mechanische Arbeit FmeC*Δs geleistet. Während des Prozessablaufes verringert sich das Temperaturgefälle ΔTi und erreicht schließlich beim Punkt Y den Wert null. Die Arbeitsgastemperatur im Druckzylinder 10 ist von T2 auf Ti gestiegen, das thermische Gleichgewicht ist erreicht. Ohne eine Kraft- oder Temperaturänderung verharrt der Kolben unbeweglich in der Stellung Y. Sämtliche auf das System wirkenden Ungleichgewichtszustände haben den angestrebten Gleichgewichtszustand erreicht. Befinden sich alle auf einen Körper wirkenden Kräfte im Gleichgewicht, dann hat das System den statischen Zustand erreicht. Statische Systeme sind energetisch unfruchtbar und können keine Arbeit leisten.
Im zweiten Fall wird der Druckzylinder 10 in einem Wärmebad mit der Temperatur T2 untergebracht. Das Arbeitsgas weist die Temperatur Ti auf. Unter diesen Gegebenheiten verschiebt die angreifende Kraft Fmech (hydrostatische Säule) den Kolben von Y nach X. Die mechanische Kraft FmeCh leistet Arbeit am Ar¬ beitsgas und eine adäguate Wärmemenge wird über das Temperaturgefälle ΔT2 an die Umgebung abgeführt. Erreicht der Kolben den Punkt X, tritt erneut ein Gleichgewichtszustand ein. Die Arbeitsgastemperatur ist identisch mit der Umgebungstemperatur T . Das System wird erneut statisch und die Bewegung des Kolbens endet .
Nach Fig. 6 befindet sich das Arbeitsgas anfangs am Prozess- startpunkt 1. Der Arbeitsgasdruck ± mit der Arbeitsgastemperatur Ti bildet ein Kräftegleichgewicht mit der von außen angreifenden mechanischen Kraft -Fmech. Nach Carnot expandiert das Arbeitsgas isotherm von Punkt 1 nach Punkt 2. Ein solcher Vorgang ist technisch nicht möglich, da ein Entropiespalt offen gehalten werden muss.
Energetisch gunstiger ist eine thermische Aufladung des Arbeitsgases von Punkt 1 nach Punkt 2a. Dem Arbeitsgas wird Warme zugeführt und die Gastemperatur steigt von Ti auf T4. Die angreifende äußere mechanische Kraft -FmeCh wird aufgrund der zugefuhrten Wärmemenge Qzu isobar nach Punkt 2a verschoben und leistet mechanische Arbeit. Beim Punkt 2a wird die Wärmezufuhr an das Arbeitsgas unterbrochen und die angreifende äußere Kraft -FmeCh entsprechend dem Verlauf des isentropen Druckes reduziert. Das Arbeitsgas wird isentrop entspannt und leistet hierbei Arbeit aufgrund seiner inneren Energie, wobei die Arbeitsgastemperatur von T4 auf T2 = Tu sinkt. Die zuge- fuhrte Wärmemenge Qzu wird bei Vernachlässigung aller Warme- leitungs- und Abstrahlungsverluste in mechanische Arbeit u- berfuhrt .
Ein solcher Vorgang ist mit einem thermisch-hydromechanischen oder drehmomentgesteuerten System möglich.
Nach Fig. 7 wird in einer Wärmepumpe 11 ein Kältemittel mechanisch verflüssigt. Dieses Kältemittel muss in einem Kreisprozess erneut verdampfen. Dieser Vorgang wird im Kaltdampfkraftwerk gleichzeitig zur Energie-Reproduktion genutzt. Ein hydrostatischer Druck reguliert den Dampfdruck des Kältemittels. Die für den Verdampfungsvorgang des Kältemittels erfor- derliche Wärme steht in Form von Umgebungswärme in fast unbegrenzter Menge zur Verfügung.
Ein in einem See, Flusslauf oder Gewässer fest unter der Wasseroberfläche verankerter Druckbehälter 12 ist einschließlich zugeordneter Steigleitungen 13 mit Wasser gefüllt. Zur gezielten Steuerung des Prozesses weist das System Ventile 14 bis 18 auf, die anfangs geschlossen sind. Über zwei Transportleitungen 19 für Zu- und Rücklauf ist der Druckbehälter 12 an die Wärmepumpe 11 angeschlossen. Um Höhenverluste möglichst gering zu halten, sind mit den Steigleitungen 13 gekoppelte, auf unterschiedlichen Höhen angeordnete Hochbehälter 20, 21 sowie der Druckbehälter 12 relativ flach gebaut. Der Dampfdruck des Kältemittels liege bei Umgebungstemperatur (ca. 280 K) oberhalb von 5 bar. Das Kältemittel wird von der Wärmepumpe 11 verdichtet und verflüssigt. Die Dichte des verflüssigten Kältemittels ist geringer als die Dichte von Wasser und das Kältemittel verhält sich gegenüber Wasser chemisch neutral.
Im System werden die Ventile 16, 18 geöffnet, so dass das Kältemittel von der Wärmepumpe 11 über die eine Zuleitung 19 zu dem Druckbehälter 12 gelangt, der nun über die eine Steigleitung 13 mit dem oberen Hochbehälter 20 in Verbindung steht. Wird dem mit Wasser gefüllten Druckbehälter 12 verflüssigtes Kältemittel mit einem Dampfdruck von > 5 bar bei Umgebungstemperatur über, die Zuleitung 19 zugeführt und das in die Zuleitung 19 eingesetzte Ventil 18 geschlossen, beginnt das Kältemittel zu verdampfen und verdrängt ein entsprechendes Wasservolumen zum Hochbehälter 20. Der Verdampfungsvorgang endet, wenn der Gasdruck des Kältemittels und der hydrostatische Druck der Wassersäule einen stabilen Gleichgewichtszustand erreicht haben. Ein stabiler Gleichgewichtszustand stellt sich ein, wenn das Arbeitsgas bei vorhandenem äußeren Druck keine Wärme mehr aufnehmen kann und der Zustand ΔT = 0 erreicht ist. Dieser Zustand ist entsprechend den Annahmenbedingungen erreicht, wenn das Arbeitsgas bis auf 1/ 5 des Normalvolumens expandiert ist.
Die gewonnene potentielle Energie des Wassers im Hochbehälter 20 entspricht der aufgenommenen Wärmemenge und ist höher als die aufgewandte mechanische Arbeit. Einzige Energiequelle ist die Umweltwärme. Soweit von außen keine Wärme zugeführt wurde, sinkt die Wassertemperatur der verdrängten Wassermenge. Abweichend von klassischen Verfahren wird bereits die Verdampfungswärme des Kältemittels in Arbeit überführt. Ein realer Expansionsvorgang verläuft etwa bei einem Temperaturgefälle ΔT = 10-20°C. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik wird erkennbar, nach dem Wärme nur in Arbeit überführt wird, solange ein thermischer Ungleichgewichtzustand besteht. Bei einem Temperaturgefälle von ΔT = 0 erreicht das Arbeitsgas, das Kältemittel, den Gleichgewichtszustand. Ein dynamischer, energieerzeugender Prozess wandelt sich in ein statisches System um. Die Entropie muss zunehmen, um den Prozess dynamisch zu erhalten.
Die Energieausbeute auf Kosten der Umweltwärme ist noch nicht beendet. Wird das Ventil 16 zum oberen Hochbehälter 20 geschlossen und das Ventil 15 zum unteren Hochbehälter 21 geöffnet, entsteht ein neuer Ungleichgewichtszustand. Das Arbeitsgas strebt erneut den Gleichgewichtszustand an. Nach den getroffenen Annahmen hat sich der äußere Druck, der der Was- sersaule, verringert und das Arbeitgasvolumen wird sich aufgrund des geringeren Gegendruckes vergrößern und Wasser zum unteren Hochbehälter 21 verdrangen. Weitere potentielle Arbeit wird auf Kosten der Umweltwarme gewonnen.
Das vorgestellte System dient überwiegend der einfachen Beweisführung. Eine absolute Energieausbeute ist hier nicht angedacht. Die Prozessfuhrung zur Nutzung der Umweltwarme endet hier vorzeitig. Nach Temperatur- und Druckausgleich im zweiten Arbeitstakt wird das Ventil 15 zum unteren Hochbehälter 21 geschlossen und das in die als Rucklauf ausgebildete Zuleitung 19 eingesetzte Ventil 17 geöffnet. Das Arbeitsgas, also das Kältemittel, wird zur Verdichtung aufgrund des herrschenden Überdruckes über die Zuleitung 19 der Wärmepumpe 11 zugeführt. Sobald der Wasserdruck der Umgebung und der Gasdruck im Druckbehalter 12 im Gleichgewicht stehen, öffnet Ventil 1 . Das dichtere Wasser schiebt das restliche Kältemittel über die Zuleitung 19 zur Wärmepumpe 11 und füllt gleichzeitig den Druckbehalter 12. Nach Beendigung des Full- vorganges schließen die Ventile 14, 17. Der Kaltemittelkreis- lauf ist geschlossen. Die aus dem Prozess gewonnene potentielle Energie des Wassers wird bei Bedarf mittels einer Wasserturbine 22 in elektrische Energie überfuhrt.
Gemäß Fig. 8 ist ein Kraftwerk 23 zur Erzeugung elektrischer Energie vorgesehen, wobei das Kraftwerk 23 beispielsweise als Warme-, Wind- oder Photovoltaikkraftwerk ausgebildet sein kann, das über elektrische Leitungen 24 sowohl mit Kompressoren 25 zur Verdichtung von Gas (Luft) als auch mit einer Wasserturbine 22 zur Stromerzeugung verbunden ist. In Zeiten relativ geringen Stromverbrauchs wird von dem Kraftwerk 23 Strom zum Antrieb der Kompressoren 25 geliefert. Durch die Verdichtung des Gases mittels der Kompressoren 25 erhalt man für die am Gas (Luft) verrichtet Verdichtungsarbeit eine entsprechende Wärmemenge, wobei diese Aussage immer dann gilt, wenn das verdichtete Gas Warme über nicht-adiabatische Wände abgeben kann. Die Verdichtungsarbeit wird in Warme umgewandelt und zu Heizzwecken abgegeben.
Da dem Gas Warme ausgetrieben wurde, ist die innere Energie des Gases gesunken. Um in einem reversiblen Prozess die Expansionsarbeit des Gases zu nutzen, muss dem Gas die ausgetriebene Warme erneut zugeführt werden. Bei einer geringeren Wärmezufuhr reduziert sich die Ausbeute der Expansionsarbeit. Warme steht zwar als Umgebungswarme für technische Zwecke in praktisch unbegrenzter Menge zur Verfugung, allerdings lediglich in einem Temperaturbereich zwischen -10°C und + 30°C. Bei der Annahme, dass die dem Gas ausgetriebene Warme bei einer Verdichtungstemperatur von etwa 70°C (343 K) erfolgt, kann aus der naturlichen Energiequelle „Umgebungswarme" etwa 80 % der für die Expansionsarbeit des Gases erforderlichen Warme geliefert werden, die in mechanische Arbeit umzuwandeln ist .
Zur Ausnutzung der Expansionsarbeit des Gases, wird dasselbe durch eine Druckluftleitung 26 von den Kompressoren 25 in einen Druckluftspeicher 27 geleitet, in dem das Gas bei Umgebungstemperatur als Medium zur Speicherung potentieller Energie gelagert wird. Bei einen Energiebedarf wird der Druckluftspeicher angezapft, das Gas expandiert, nimmt gleichzeitig Umgebungswarme auf, wodurch die Expansionsarbeit vergrößert wird und liefert mechanische Arbeit. Um die mechanische Arbeit des expandierenden Gases zur Stromerzeugung zu nutzen, ist der Druckluftspeicher 27 über ein Regelventil 28 mit dem mit Wasser befüllten Druckbehälter 12 verbunden. Der Druckbehälter 12 ist über eine Vorlaufleitung 29 und eine Rücklaufleitung 30 mit einem Wasserspeicher 31 gekoppelt. Zwischen der Wasseroberfläche in dem Wasserspeicher 31 und der Unterkante des Druckbehälters 12 liegt eine Höhendifferenz Δh vor. Zu Beginn des Prozesses der Stromerzeugung sind in die Vorlaufleitung 29 und die Rücklaufleitung 30 eingesetzte Absperrventile 32, 33 geschlossen. Durch das Öffnen des Regelventils 28 beaufschlagt das Gas das Wasser innerhalb des Druckbehälters 12 aufgrund seiner Expansion, so dass der hydrostatische Druck (Δh) innerhalb des Druckbehälters 12 auf den Gasdruck p ansteigt. Beim Öffnen des in die Vorlaufleitung 29 eingesetzten Absperrventils 32 strömt das Wasser aus dem Druckbehälter 12 mit dem Druck in die Wasserturbine 22, die die mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Das Regelventil 28 wird bei Erreichen eines Druckes von Δp = p - Δh bei einer Temperatur To geschlossen. Das Gas dehnt sich von Δp auf Δh aus und nimmt dabei Umgebungswärme auf. Eine Beeinflussung des Wärmeaustauschs zwischen dem Wasser und dem Gas erfolgt durch eine entsprechende Dimensionierung der Vorlaufleitung 29 oder eine Einstellung der Durchflussmenge durch entsprechende Verstellung des Regelventils 28 bzw. Absperrventils 32 oder auch durch Einsetzen eines Steuerventils in die Vorlaufleitung. Die Wasserturbine 22 liefert die aus der mechanischen Arbeit gewonnene elektrische Energie über die elektrischen Leitungen 24 an das Kraftwerk 23 bzw. Endverbraucher.
Sobald der Druckbehälter 12 wasserleer ist, wird das in die Vorlaufleitung 29 eingesetzte Absperrventil 32 geschlossen und das im System vorhandene Wasser befindet sich innerhalb des Wasserspeichers 31. Anschließend wird ein in die Rücklaufleitung 30 eingesetztes Ventil 34 geöffnet und das Wasser fließt im freien Gefälle in den Druckbehälters 12. Bei ausreichendem Wasserdruck kann in der Rücklaufleitung 30 eine zusätzliche Wasserturbine vorgesehen werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Energieumwandlung nach einem geschlossenen thermodynamischen Kreisprozess, insbesondere nach dem Carnot-Prozess, unter der Nutzung eines Arbeitsgases, dem zur Verrichtung von Arbeit Wärme zugeführt wird , dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Arbeitsgases durch einen auf das Arbeitsgas einwirkenden mechanischen Gegendruck gesteuert wird, der zum Druck des Arbeitsgases proportional und entgegengerichtet ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegendruck unter Ausnutzung der Umgebungswärme erzeugt wird.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Wärmepumpe (11) oder mindestens einem Kompressor (25) zur Verflüssigung eines Kältemittels o- der zur Verdichtung eines Gases, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Wärmepumpe (11) mit einem Druckbehälter (12) gekoppelt ist, in dem das Kältemittel unter Einwirkung eines Gegendruckes verdampft oder
- der Kompressor (25) mit einem Druckbehälter (12) gekoppelt ist, in dem das Gas unter Einwirkung eines Gegendruckes expandiert.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter (12) mit einer den Gegendruck erzeugenden Einrichtung zur Speicherung potentieller Energie verbunden ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter (12) zur Steuerung von Arbeitstakten über Ventile (14-18) mit der Wärmepumpe (11) und der Einrichtung verbunden ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter (12) in einem offenen Reservoir der Umgebungstemperatur ausgesetzt ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung mindestens einen Hochbehälter
(20, 21) zur Aufnahme von Wasser umfasst, der über eine Steigleitung (13) mit dem Druckbehälter (12) gekoppelt ist .
8. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter (12) über ein Regelventil
(28) mit dem Kompressor (25) gekoppelt ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung mindestens einen Wasserspeicher (31) umfasst, der über eine Vorlaufleitung (29) und eine Rücklaufleitung (30) ventilgesteuert mit dem Druckbehälter (12) gekoppelt ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Einrichtung mindestens eine mit dem Hochbehälter (20, 21) oder dem Wasserspeicher (31) verbundene Wasserturbine (22) zugeordnet ist.
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