JP2001523786A - Heat engine with improved efficiency - Google Patents

Heat engine with improved efficiency

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JP2001523786A
JP2001523786A JP2000521301A JP2000521301A JP2001523786A JP 2001523786 A JP2001523786 A JP 2001523786A JP 2000521301 A JP2000521301 A JP 2000521301A JP 2000521301 A JP2000521301 A JP 2000521301A JP 2001523786 A JP2001523786 A JP 2001523786A
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マルティン ツィーグラー,
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マルティン ツィーグラー,
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Abstract

(57)【要約】 本発明は、熱エネルギー(Q外部)を力学的エネルギー(W外部)へ変換する方法および熱機関に関する。この熱機関は、第1熱力学サイクルプロセス(蒸気サイクルプロセス)および第2サイクルプロセス(ガスサイクルプロセス)を含み、ここで、第1サイクルプロセスの廃熱(QD)は、第2サイクルプロセスに供給され、そして第2サイクルプロセスの廃熱(QG)は、第1サイクルプロセスへ供給される。 (57) [Summary] The present invention relates to a method for converting thermal energy ( external to Q) to mechanical energy ( external to W) and a heat engine. The heat engine includes a first thermodynamic cycle process (steam cycle process) and a second cycle process (gas cycle process), wherein the waste heat of the first cycle process (Q D ) is transferred to the second cycle process. The second cycle process waste heat (Q G ) is supplied to the first cycle process.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】 本発明は、熱機関での熱エネルギーを力学的エネルギーに変換する方法に関す
る。この方法において、この熱機関の熱効率は、より高いおよび/またはより低
いサイクルプロセス温度を変更する必要なく増加する。さらに、本発明は、この
方法を実施するための熱機関に関する。
The present invention relates to a method for converting heat energy in a heat engine into mechanical energy. In this way, the thermal efficiency of the heat engine is increased without having to change higher and / or lower cycle process temperatures. Furthermore, the invention relates to a heat engine for performing this method.

【0002】 熱機関は、熱力学サイクルプロセスの方法によって、供給された熱エネルギー
を軸仕事(shaft work、Wellenarbeit)(運動エネルギ
ー)に変換するエネルギー変換器である。この目的のために、熱エネルギーが、
高い温度レベルで機関の中の作業媒体に供給され、次いで、低レベルで再び部分
的に抽出され、サイクルプロセスを通じた通過に続く。理想的な場合において、
供給されたおよび抽出された熱エネルギー量の間の差が、機関による軸仕事出力
と一致する。
[0002] A heat engine is an energy converter that converts supplied thermal energy into shaft work (wellenerbeit) (kinetic energy) by means of a thermodynamic cycle process. For this purpose, thermal energy
It is fed to the working medium in the engine at a high temperature level and then partially extracted again at a low level, following its passage through a cycling process. In the ideal case,
The difference between the amount of supplied and extracted thermal energy is consistent with the shaft work output by the engine.

【0003】 機関のようなサイクルプロセスの熱効率は、達成される軸仕事および適用され
る第一熱エネルギーの間の比である。これは、より高いおよびより低いプロセス
温度の間の差のレベルにより増加し、そして理想とするCarnotエンジンの
値が、最大に得られ得る。最大に得られ得るサイクルプロセスの熱効率は、以下
のCarnotの法則により得られ: η=(T0−Tu)/T0 ここで、ηは、サイクルプロセスの最大熱効率であり、T0は、高プロセス温度 であり、Tuは、低プロセス温度である。
[0003] The thermal efficiency of a cycle process, such as an engine, is the ratio between the shaft work achieved and the first thermal energy applied. This is increased by the level of difference between the higher and lower process temperatures, and the value of the ideal Carnot engine can be maximized. The maximum thermal efficiency of the cycle process that can be obtained is obtained by the following Carnot's law: η = (T 0 −T u ) / T 0 where η is the maximum thermal efficiency of the cycle process and T 0 is High process temperature and Tu is the low process temperature.

【0004】 第一熱エネルギーの各適用ユニットについてできるだけ高い、軸仕事または運
動エネルギー収量を達成するために、熱機関は、可能な限り高い熱効率を有さな
ければならない。この目的は、サイクルプロセスの効率を増大することで達成さ
れる。この目的のために、Carnotの法則によると、低プロセス温度を減少
するかおよび/または高プロセス温度を増大するかのいずれかが必要である。熱
機関において使用される物質の熱安定性のために、高プロセス温度の増大は、制
限される。従来の熱機関を操作する方法の場合において、廃熱は、周囲に散逸さ
れるので、低プロセス温度の減少はまた制限される。低プロセス温度の減少への
自然な制限は、このように熱機関の周囲温度により規定される(熱力学第二法則
)。例えば、系を冷やす新鮮な水が、低プロセス温度を減少させ、周囲温度に近
づけるために使用されるが、これは、川や湖にすでに存在する熱負荷のために、
環境保護の理由から好ましくない。代わりに、熱を、湿式および乾式冷却塔を通
じて空気中に逃がす。
In order to achieve as high a shaft work or kinetic energy yield as possible for each application unit of the first thermal energy, the heat engine must have as high a thermal efficiency as possible. This goal is achieved by increasing the efficiency of the cycle process. For this purpose, according to Carnot's law, it is necessary to either reduce the low process temperature and / or increase the high process temperature. Due to the thermal stability of the materials used in heat engines, the increase in high process temperatures is limited. In the case of conventional methods of operating a heat engine, the waste heat is dissipated to the surroundings, so that the reduction of low process temperatures is also limited. The natural limit to the reduction of low process temperatures is thus dictated by the ambient temperature of the heat engine (second law of thermodynamics). For example, fresh water that cools the system is used to reduce low process temperatures and bring them closer to ambient temperature, due to the heat load already present in rivers and lakes.
Not preferred for environmental protection reasons. Instead, heat is dissipated into the air through wet and dry cooling towers.

【0005】 熱機関の効率を増大させる目的として公知なものは、タービンからの抽気スチ
ームで給水を予熱し、熱入力の平均温度を上昇させることでプロセス廃熱を減少
させるというやり方である。この方法の上限は、給水の予熱温度が高すぎるとき
、ボイラーの排気ガスが、もはや空気の予熱にもかかわらず、その最低値に保ち
得ないという事実に規定される。さらに、給水は廃熱の温度まで最大で予熱され
得るので、この廃熱フィードバックの形態は、不利である。
[0005] A known approach to increasing the efficiency of heat engines is to preheat the feedwater with bleed steam from the turbine and reduce the process waste heat by increasing the average temperature of the heat input. The upper limit of the method is defined by the fact that when the preheating temperature of the feedwater is too high, the boiler exhaust gas can no longer be kept at its minimum despite air preheating. Furthermore, this form of waste heat feedback is disadvantageous because the feedwater can be preheated up to the temperature of the waste heat.

【0006】 現代のメインフレームのコンピュータの助けを借りて、熱機関のサイクルプロ
セスの変数を最適化することがまた、可能である。例えば、発電所においては、
生蒸気および中間過熱条件、量、予熱器の効率および抽気圧、コンデンサーの大
きさおよび設計、冷却塔の設計、などである。それにもかかわらず、これらの測
定機の助けを借りてさえ、効率の増大は、制限された程度でのみ可能である。
With the help of modern mainframe computers, it is also possible to optimize the variables of the heat engine cycle process. For example, in a power plant,
Live steam and intermediate superheat conditions, volumes, preheater efficiency and bleed pressure, condenser size and design, cooling tower design, etc. Nevertheless, even with the help of these measuring instruments, an increase in efficiency is possible only to a limited extent.

【0007】 最後に、熱機関の効率を増大するためのさらなる方法は、熱エネルギーの吸収
および送達でのエネルギー損失を減少することにある。これを行うには、サイク
ルプロセスの連鎖において吸収および供給された熱の間の利用可能な温度勾配を
できる限り完全に利用する。この目的のために、2個以上の機関を連続して接続
し、先のサイクルプロセスの廃熱を、後のサイクルプロセスの加温熱として使用
する。例えば、この方法は、現代の複合発電所(ガスおよびスチーム発電所)に
おいて使用され、ここでは燃焼プロセスの高い温度を最初にガスタービンで利用
し、次いでその排気ガスを蒸気動力装置を昇温するのにさらに利用する。このよ
うにして、蒸気発生のエネルギー損失を減少させ、燃焼室と周囲温度の間に存在
する温度勾配を、様々な段階で利用する。
[0007] Finally, a further way to increase the efficiency of the heat engine consists in reducing the energy loss in the absorption and delivery of thermal energy. To do this, it makes full use of the available temperature gradient between the heat absorbed and supplied in the chain of the cycle process as far as possible. For this purpose, two or more engines are connected in series and the waste heat of the preceding cycle process is used as the heating heat of the subsequent cycle process. For example, this method is used in modern combined cycle power plants (gas and steam power plants), where the high temperature of the combustion process is first utilized in a gas turbine and then the exhaust gas is heated to a steam power plant. Use it further. In this way, the energy loss of the steam generation is reduced and the temperature gradient existing between the combustion chamber and the ambient temperature is exploited at various stages.

【0008】 サイクルプロセスの連続結合の方法が、米国特許第5,437,157号およ
び同第4,428,190号(それぞれ2個の連続サイクルプロセス)、ならび
にAT 327,299号(計3個の連続サイクルプロセス)の特許出願の主題
を構成する。
[0008] Methods of continuous combination of cycle processes are disclosed in US Pat. Nos. 5,437,157 and 4,428,190 (two continuous cycle processes each) and AT 327,299 (three in total). Continuous cycle process).

【0009】 米国特許第5,437,157号において、従来のスチーム発電所の濃縮熱(
作業媒体水)は、第二スチームサイクルプロセスにおいて有用な仕事を発生する
有機作業媒体の気化のために使用される。次いで、第二サイクルプロセスの廃熱
が、周りに放出される。類似の原理が、米国特許第4,428,190号で使用
され、2個のスチームサイクルプロセス(水および有機物作業媒体)が、中間熱
アキュムレーターを通して結合することで、その日の間の発電所のロード分配を
改良する。AT 327,299には、有機物作業媒体を基礎とする第三サイク
ルプロセスによる、カリウムおよび水蒸気のサイクルプロセスの結合を記載する
。この媒体は、廃熱をカリウムプロセスから加温熱として水プロセスに移動する
。記載される全ての場合において、各サイクルプロセスは、物質的に互いに隔離
されており、一のプロセスから別のプロセスへの熱の移動は、熱交換器の壁を通
して達成される。
In US Pat. No. 5,437,157, the concentrated heat of a conventional steam power plant (
Working medium water) is used for the vaporization of the organic working medium that produces useful work in the second steam cycle process. The waste heat of the second cycle process is then released around. A similar principle is used in U.S. Pat. No. 4,428,190, in which two steam cycle processes (water and organic working medium) are combined through an intermediate heat accumulator to reduce the Improve load distribution. AT 327,299 describes the combination of a potassium and steam cycle process with a third cycle process based on organic working media. This medium transfers waste heat from the potassium process to the water process as warming heat. In all cases described, each cycle process is materially isolated from one another, and the transfer of heat from one process to another is achieved through the walls of the heat exchanger.

【0010】 サイクルプロセスの連続接続の不利益は、各サイクルプロセスにおける追加の
熱移動およびエネルギー変換設備である。さらに、熱交換器による熱の移動は、
限られた温度差の維持のみで可能となるので、エネルギー変換のエネルギー損失
は、連続結合サイクルプロセスの数とともに増大する。不利益はまた、連続連鎖
中の最後のサイクルプロセスの廃熱をまた、周りに放出しなければならないとい
うことにある。
A disadvantage of the continuous connection of the cycle process is the additional heat transfer and energy conversion equipment in each cycle process. In addition, the transfer of heat by the heat exchanger
The energy loss of the energy conversion increases with the number of continuous coupling cycle processes, since only limited temperature differences can be maintained. The disadvantage is also that the waste heat of the last cycle process in the continuous chain must also be released to the environment.

【0011】 従って、本発明の目的は、熱機関の熱効率が、熱サイクルプロセスのより高い
および/またはより低いプロセス温度を変更する必要なく増加し得る方法を構築
することにある。この方法の実施のための熱機関を構築することがまた、本発明
の目的である。
[0011] It is therefore an object of the present invention to construct a method by which the thermal efficiency of a heat engine can be increased without having to change the higher and / or lower process temperatures of the thermal cycle process. It is also an object of the present invention to construct a heat engine for performing this method.

【0012】 これらの目的は、請求項1の特徴を有する方法、および請求項14の特徴を有
する熱機関によって達成される。関連する従属請求項は、この発明に関する方法
および熱機関の利点および好ましい発展を開示する。
[0012] These objects are achieved by a method having the features of claim 1 and a heat engine having the features of claim 14. The related dependent claims disclose the advantages and preferred developments of the method and the heat engine according to the invention.

【0013】 本発明を理解する目的として、熱機関の熱効率は、その中で促進されるサイク
ルプロセスの熱効率と同じではないことを知ることが必要不可欠である。
For purposes of understanding the present invention, it is essential to know that the thermal efficiency of a heat engine is not the same as the thermal efficiency of the cycle process promoted therein.

【0014】 サイクルプロセスの熱効率は、送達仕事とサイクルプロセスの各サイクルに適
用した熱エネルギーの比率によって規定される。対照的に、熱機関の熱効率は、
送達熱とサイクルプロセスの全サイクルにわたって適用した熱エネルギーとの比
率によって規定される。
The thermal efficiency of the cycling process is defined by the ratio of the delivered work and the thermal energy applied to each cycle of the cycling process. In contrast, the thermal efficiency of a heat engine is
It is defined by the ratio between the heat delivered and the thermal energy applied over the entire cycle of the cycling process.

【0015】 サイクルプロセスの廃熱が機関を去り、および系の境界を越えて周囲に送達さ
れる場合、および場合のみ、これら2つの効率は、等しい。従来の熱機関の場合
、サイクルプロセスから抽出された低温度熱は、各それぞれのサイクルが完了す
ると、周囲に放出される。よって規定熱機関は、熱力学サイクルプロセスの効率
に最大で等しい。
These two efficiencies are equal if and only if the waste heat of the cycle process leaves the engine and is delivered to the environment beyond the boundaries of the system. In the case of a conventional heat engine, the low temperature heat extracted from the cycle process is released to the surroundings upon completion of each respective cycle. Thus, the prescribed heat engine is at most equal to the efficiency of the thermodynamic cycle process.

【0016】 機関内のサイクルプロセスの廃熱の全てまたは一部が第一エネルギーとして適
用され得る場合(廃熱再利用)、熱機関の効率は、関連するサイクルプロセスの
効率よりも大きくなる。この場合、サイクルプロセスの廃熱に含まれるエネルギ
ーは、置き換える必要がないか、または部分的のみ新しい第一エネルギーと置き
換える必要があり、そして機関の累積効率は、実施されるサイクルプロセスの数
とともに増大する。
If all or part of the waste heat of the cycle process in the engine can be applied as primary energy (waste heat reuse), the efficiency of the heat engine will be greater than the efficiency of the associated cycle process. In this case, the energy contained in the waste heat of the cycle process need not be replaced, or only partially replaced by new primary energy, and the cumulative efficiency of the engine increases with the number of cycle processes performed I do.

【0017】 このプロセスは、図1で説明されている。図1に熱機関の効率の進行を示す。
ここで仮定のサイクルプロセスは、35%の熱効率で操作する。放出された廃熱
は、0%、20%、40%、60%、80%および100%で様々なサイクルを
通じてこのサイクルプロセスに戻される(廃熱再利用)。廃熱のフィードバック
がない場合(0%曲線)、熱機関の効率は、サイクルプロセスの効率に等しい。
廃熱のフィードバックにより、熱機関の効率は、サイクルプロセスのサイクルの
数に比して増加し、理論的最大値に漸近的に近づく。
This process is illustrated in FIG. FIG. 1 shows the progress of the efficiency of the heat engine.
The hypothetical cycling process operates at 35% thermal efficiency. The released waste heat is returned to this cycle process through various cycles at 0%, 20%, 40%, 60%, 80% and 100% (waste heat recycling). In the absence of waste heat feedback (0% curve), the efficiency of the heat engine is equal to the efficiency of the cycle process.
With waste heat feedback, the efficiency of the heat engine increases relative to the number of cycles in the cycle process and asymptotically approaches a theoretical maximum.

【0018】 図2に、わずか5%という非常に劣った効率のサイクルプロセスと同じプロセ
スを示す。そのように乏しいプロセス効率でさえ、熱機関の効率が、様々なサイ
クルの数に比して非常に大きく増加し得る。十分に効果的な廃熱のフィードバッ
クにより、そのような熱機関は、低温熱を使用して経済的に操作し得る。
FIG. 2 shows the same process as a very inefficient cycling process of only 5%. Even at such poor process efficiencies, the efficiency of the heat engine can increase very significantly relative to the number of different cycles. With sufficiently effective waste heat feedback, such heat engines can operate economically using low temperature heat.

【0019】 先行技術に関連した従来の熱機関は、単一内部サイクルプロセスを使用する。
これらは、作業媒体の相転移を有するスチームサイクルプロセス(スチームター
ビン、スチームエンジン)、または作業媒体の相転移のないガスサイクルプロセ
ス(ガスタービン、オットーエンジン、ディーゼルエンジン、Wankelエン
ジン、スターリングエンジン、Stelzerエンジン)のどちらかを有する。
Conventional heat engines associated with the prior art use a single internal cycle process.
These include steam cycle processes with a phase transition of the working medium (steam turbines, steam engines) or gas cycle processes without a phase transition of the working medium (gas turbines, Otto engines, diesel engines, Wankel engines, Stirling engines, Stelzer engines) ).

【0020】 従来の熱機関の場合、廃熱のフィードバックは、廃熱温度が、サイクルプロセ
スに供給される熱の必要な温度よりも十分に低いという事実によって制限される
。この理由により、この廃熱に含まれるエネルギーの小部分のみが、サイクルプ
ロセスに返還され得る。従来の機関において、廃熱の温度レベルを高プロセス温
度に昇温するには、ヒートポンプを必要とし、それにより、廃熱のエネルギーは
、サイクルプロセスに返還され得る。しかし、このヒートポンプは、第一機関に
より生じる軸仕事の一部を消費し得る。この結果として、先行技術に関連する従
来の熱機関にとって、この廃熱のフィードバックは、限定された範囲でのみ経済
的である。
In the case of conventional heat engines, the waste heat feedback is limited by the fact that the waste heat temperature is sufficiently lower than the required temperature of the heat supplied to the cycle process. For this reason, only a small part of the energy contained in this waste heat can be returned to the cycle process. In conventional engines, raising the temperature level of the waste heat to high process temperatures requires a heat pump, whereby the energy of the waste heat can be returned to the cycle process. However, this heat pump can consume some of the shaft work generated by the first engine. Consequently, for conventional heat engines related to the prior art, this waste heat feedback is economical only to a limited extent.

【0021】 本発明に関連する方法は現在、従来のヒートポンププロセスでの軸仕事の使用
をしない内部廃熱フィードバックを通じて、熱エネルギーの累積的熱効率を増大
する。
The methods associated with the present invention now increase the cumulative thermal efficiency of thermal energy through internal waste heat feedback without the use of shaft work in conventional heat pump processes.

【0022】 従来の機関は、単一スチームサイクルプロセスまたは単一ガスプロセスプロセ
スのどちらか、あるいはこれら2個の連続接続(ガス/スチームタービン、燃焼
エンジン、ガスおよびスチーム発電所)を有する。本発明に関連する熱機関は、
各熱機関の中にスチームサイクルプロセスおよびガスサイクルプロセス(すなわ
ち同時に物質的に互いに組み合わされた、またはガス相に重ね合わせられた2個
のサイクルプロセス処置)を有する。
Conventional engines have either a single steam cycle process or a single gas process process, or these two continuous connections (gas / steam turbine, combustion engine, gas and steam power plant). The heat engine related to the present invention is:
Within each heat engine there is a steam cycle process and a gas cycle process (ie two cycle process treatments that are simultaneously combined physically or superimposed on the gas phase).

【0023】 スチームサイクルプロセスは、軸仕事を生み出すのに貢献する。このスチーム
サイクルプロセスは、加温熱を外部熱源から取り込む。このスチームサイクルプ
ロセスの廃熱は、連結されたガスサイクルプロセスの加温熱である。スチームサ
イクルプロセスの作業媒体Aは、一種の物質または物質の混合物である。これの
成分は、ガスサイクルプロセス中の作業媒体ABの成分Bより、十分に高い分子
双極子モーメントを有する。この成分Bは、基本的に永久ガス状態にある。スチ
ームサイクルプロセスにおいて、作業媒体Aは、大部分の従来のスチームエンジ
ンまたはスチームタービンにおいて、液体およびガス間のサイクル相転移を起こ
す。
The steam cycle process contributes to producing axis work. This steam cycle process takes warming heat from an external heat source. The waste heat of this steam cycle process is the heating heat of the connected gas cycle process. The working medium A of the steam cycle process is a kind of substance or a mixture of substances. These components have a sufficiently higher molecular dipole moment than component B of the working medium AB during the gas cycle process. This component B is basically in a permanent gas state. In the steam cycle process, the working medium A undergoes a cycle phase transition between liquid and gas in most conventional steam engines or steam turbines.

【0024】 ガスサイクルプロセスは、本発明に関連する熱機関の中の排気ガスフィードバ
ックとして使用される。この目的のために、膨張作業媒体Aに含有されたスチー
ムサイクルプロセスの廃熱が、物質的に軸仕事を生み出すための加温熱としてガ
スサイクルプロセスに供給される。このガスサイクルプロセスはまた、スチーム
サイクルプロセスの廃熱の一部を軸仕事に変換する。この作業媒体AB(=ガス
サイクルプロセス中の作業媒体)は、スチームサイクルプロセスの作業媒体Aの
ガス部分およびガスサイクルプロセス中の作業媒体の持続性のガス成分Bの混合
物である。成分Bは、一種の物質または物質の混合物である。この構成要素は、
スチームサイクルプロセスからの作業媒体Aの物質構成要素よりも、十分に低い
分子双極子モーメントを有する。ガスサイクルプロセスにおいて、作業媒体AB
は、規則的に、スチームサイクルプロセスからの作業媒体Aのガス量で供給され
、これは、再び液体形態として取り込まれる。結果として、ABの中のAの成分
量の割合は、ガスサイクルプロセスの閉じたサイクルにおいて、周期的に変化す
る。
The gas cycle process is used as exhaust gas feedback in a heat engine in connection with the present invention. For this purpose, the waste heat of the steam cycle process contained in the expanded working medium A is supplied to the gas cycle process as warming heat to physically create shaft work. This gas cycle process also converts some of the waste heat of the steam cycle process into shaft work. This working medium AB (= working medium during the gas cycle process) is a mixture of the gas part of the working medium A of the steam cycle process and the persistent gas component B of the working medium during the gas cycle process. Component B is a substance or a mixture of substances. This component is
It has a sufficiently low molecular dipole moment than the material constituents of the working medium A from the steam cycle process. In the gas cycle process, the working medium AB
Is regularly supplied with the gas quantity of the working medium A from the steam cycle process, which is again taken up in liquid form. As a result, the proportion of the component amount of A in AB changes periodically in the closed cycle of the gas cycle process.

【0025】 気相中における2つのサイクルプロセスの材料の交差は、2つのサイクルプロ
セスの材料間または材料混合物AとABとの間の熱エネルギーの直接の交換のた
め、および作業媒体Aの濃縮のために利用される。熱エネルギーの交換は、2つ
の作業媒体の材料の気体分子間にある弾性材料によるブラウン分子運動(1秒間
に1010の大きさのオーダーの衝突回数)の利用によって生じる。微視的レベル
において、分子の運動エネルギー(これは温度と等価である)は、マクスウエル
の理論に従って統計的な確率分布に従う。説明のために、気体または液体である
、原子または分子は、停止することなく動き、互いに継続的に衝突することに注
目するべきである。衝突プロセスのために、これらは継続的にその運動の方向、
エネルギーおよび、結果的に速度もまた変化する。このように、気体または液体
の速度は、全ての原子または分子に対して同じというわけではなくて、マクスウ
エルの速度分布に従う。分子レベルにおいて、温度および運動エネルギーは、ボ
ルツマン定数を通して結び付けられ、粒子の平均の運動エネルギー(回転および
振動のエネルギーを無視して)は、E=3kT/2である。結果的に、気相中に
おいて1つの温度だけではなく、温度の範囲があり、これは分子の速度の統計的
な分布と等価である。気相中の材料群AおよびBからの分子の無秩序な運動は、
様々な速度および双極子モーメントを有する分子間の弾性衝突を生じる。高い双
極子モーメントを有する作業媒体Aの材料群の遅い(=冷たい)分子間の衝突は
、分子間力の影響のために、衝突する相手の凝固となり、結果的により大きな分
子の格子、最終的に液滴の形成となる。分子の格子と材料群AおよびBの速い単
一の分子との間の衝突は、より重い液滴からより軽い衝突相手への運動エネルギ
ー(=熱)の正味の移動となる。結果として、ガスサイクルプロセスの気相AB
は、速い(=熱い)および遅い(=冷たい)量の成分に分けられる。
The intersection of the materials of the two cycle processes in the gas phase is due to the direct exchange of thermal energy between the materials of the two cycle processes or between the material mixture A and AB, and to the enrichment of the working medium A. Used for The exchange of thermal energy results from the use of Brownian molecular motion (number of collisions on the order of 10 10 per second) by an elastic material between the gas molecules of the two working medium materials. At the microscopic level, the kinetic energy of a molecule (which is equivalent to temperature) follows a statistical probability distribution according to Maxwell's theory. It should be noted that, by way of illustration, atoms or molecules, which are gases or liquids, move without stopping and continually collide with each other. Due to the collision process, these are continuously the direction of their movement,
Energy and, consequently, speed also change. Thus, the velocity of a gas or liquid is not the same for all atoms or molecules, but follows Maxwell's velocity distribution. At the molecular level, temperature and kinetic energy are linked through Boltzmann's constant, and the average kinetic energy of the particle (ignoring rotational and vibrational energies) is E = 3 kT / 2. Consequently, there is not just one temperature in the gas phase, but a range of temperatures, which is equivalent to a statistical distribution of molecular velocities. The random motion of molecules from material groups A and B in the gas phase is
It produces elastic collisions between molecules with different velocities and dipole moments. The collision between the slow (= cold) molecules of the materials of the working medium A with a high dipole moment results in solidification of the colliding partner due to the influence of the intermolecular forces, resulting in a larger lattice of molecules, ultimately Droplets are formed. Collisions between the molecular lattice and the fast single molecules of materials groups A and B result in a net transfer of kinetic energy (= heat) from heavier droplets to lighter colliders. As a result, the gas phase AB of the gas cycle process
Is divided into fast (= hot) and slow (= cold) amounts of components.

【0026】 巨視的観点では、作業媒体Aの相転移は、本発明に記載される熱機関のガスサ
イクルプロセス中の材料混合物ABからのミストの自然な形成を通して生じる。
次に、このミストのしずくは、ガスサイクルプロセスの気相から保存力の場(例
えば重力または遠心力の場)による相分離によって、ガスサイクルプロセスの気
相から除かれ得、給水ポンプによって蒸気サイクルプロセスに戻され得る。この
ようにして、作業媒体Aの流れは、ガス状相中、ガスサイクルプロセスに供給さ
れ、再び液相に抽出される。ガスサイクルプロセスに供給される熱は、潜熱であ
り、凝縮熱に一致し、供給されるガス状量の成分Aに含まれる。蒸気サイクルプ
ロセスからガスサイクルプロセスへの熱の伝達は、ガスサイクルプロセス中の作
業媒体Aの凝縮によって生じる。ガスサイクルプロセスの廃熱は、作業媒体Aの
液相で抽出される熱である。供給される熱と抽出される熱との間の差は、蒸気サ
イクルプロセスとガスサイクルプロセスとの間で交換される作業媒体Aの量の材
料の流れの凝縮熱である。これは、ガスサイクルプロセスで生じられ得る最大限
の軸仕事に対応する。結果的に、本発明に記載の熱機関の蒸気サイクルプロセス
の凝縮熱は、十分にガスサイクルプロセスの軸仕事に転換され得る(より少ない
任意の放散熱)。従って、本発明に記載の熱機関は、放散される熱を除外して、
さらなる廃熱は無い。このように、従来の熱機関との比較によって、本発明に記
載の熱機関の効率は、乏しい効率の蒸気サイクルプロセスを伴ってさえ、サイク
ルプロセスのサイクルの数に渡って増加する。結果的に、本発明に記載の熱機関
はまた、低温度の熱の利用のためのエネルギーコンバーターとして適する。
From a macroscopic point of view, the phase transition of the working medium A takes place through the natural formation of mist from the material mixture AB during the gas cycle process of the heat engine according to the invention.
The mist droplets can then be removed from the gas cycle process gas phase by a phase separation by a conservative force field (eg, gravity or centrifugal force field) from the gas cycle process gas phase and steam cycled by a feed pump. Can be returned to the process. In this way, the stream of the working medium A is supplied to the gas cycle process in the gaseous phase and is again extracted to the liquid phase. The heat supplied to the gas cycle process is latent heat, which corresponds to the heat of condensation and is included in the supplied gaseous amount of component A. The transfer of heat from the steam cycle process to the gas cycle process results from the condensation of the working medium A during the gas cycle process. The waste heat of the gas cycle process is the heat extracted in the liquid phase of the working medium A. The difference between the heat supplied and the heat extracted is the heat of condensation of the material stream in the amount of working medium A exchanged between the steam cycle process and the gas cycle process. This corresponds to the maximum shaft work that can be produced in the gas cycle process. As a result, the heat of condensation of the steam cycle process of the heat engine according to the invention can be sufficiently converted to the axial work of the gas cycle process (less any heat dissipated). Thus, the heat engine according to the invention excludes the heat dissipated,
No further waste heat. Thus, by comparison with a conventional heat engine, the efficiency of the heat engine according to the invention increases over the number of cycles of the cycle process, even with a poorly efficient steam cycle process. Consequently, the heat engine according to the invention is also suitable as an energy converter for the utilization of low-temperature heat.

【0027】 例えば、次の材料の組み合わせは、本発明に記載の熱機関の運転が可能である
蒸気サイクル(Aガスサイクル(B) 気化に対する温度ウィンドウ 水 空気 70...300℃ 二酸化炭素 空気、窒素 −70...20℃ アンモニア 空気、窒素 −40...70℃ 冷却混合物 空気、窒素 −50...0℃ 窒素 水素 −200...−150℃ 窒素 不活性ガス −200...−150℃ 図1は、20サイクルに渡る仮想の熱機関の効率の様々な進行を示す。熱機関
のサイクルプロセスは、35%の理論効率を有する。熱機関は、廃熱がサイクル
プロセスにフィードバックされない(0%進行)場合、同じ効率を有する。サイ
クルプロセスによって放出される廃熱の特定の部分が、そこに戻される場合、熱
機関の効率はゆっくり増加する。例えば80%の廃熱のフィードバックでは、説
明される熱機関は、20サイクルの後に約70%の効率に達する。
For example, the following material combinations allow operation of the heat engine according to the invention: steam cycle (A ) gas cycle (B) temperature window for vaporization water air 70. . . 300 ° C carbon dioxide air, nitrogen -70. . . 20 ° C ammonia air, nitrogen -40. . . 70 ° C cooling mixture air, nitrogen -50. . . 0 ° C. nitrogen hydrogen -200. . . -150 ° C nitrogen inert gas -200. . . FIG. 1 shows various evolutions of the efficiency of a virtual heat engine over 20 cycles. The heat engine cycle process has a theoretical efficiency of 35%. The heat engine has the same efficiency if the waste heat is not fed back to the cycle process (0% progress). If a certain portion of the waste heat released by the cycle process is returned to it, the efficiency of the heat engine will increase slowly. With, for example, 80% waste heat feedback, the described heat engine reaches approximately 70% efficiency after 20 cycles.

【0028】 図2は、たった5%の効率のサイクルプロセスに対する同じ状況を示す。図2
に示されるように、熱機関の効率は、80%の廃熱フィードバックで約20%の
値に増加する。このように、廃熱をフィードバック方法によって、熱機関の効率
は、サイクルプロセスの効率と比較して約4倍である。
FIG. 2 shows the same situation for a cycle process of only 5% efficiency. FIG.
As shown, the efficiency of the heat engine increases to a value of about 20% with 80% waste heat feedback. Thus, with the waste heat feedback method, the efficiency of the heat engine is about four times that of the cycle process.

【0029】 図3は、実質的に連結された蒸気サイクルプロセス(左のPV線図)およびガ
スサイクルプロセス(右のPV線図)の図式的な説明を示す。ここに示される蒸
気サイクルプロセスは、複数の中間の過熱なしで単一のプロセスである。本方法
はまた、他の全ての蒸気サイクルプロセスに適用され得る。本蒸気サイクルプロ
セスは、点D1〜D6に示される6点を含む。本ガスサイクルプロセスは、点G
1〜G4に示される4点を含む。個々の工程は以下に詳細に記載される: D1−D2 蒸気サイクルプロセスの液体は、低圧力から高圧力にポンプを経て
伝えられ、高圧力で気化器に供給される。 D2−D3 作業媒体Aは、熱(Qto)の適用で高圧力の気化器の中で気化し、
液相からガス状相に転換される。 D3−D4 蒸気は過熱されるが、この過熱は本質的ではない。過熱は、低温度
熱の利用のために設計された機関の場合には省略され得る。 D4−D5 蒸気は、その圧力がガスサイクルプロセスの混合圧力に一致するま
で、軸仕事の出力をしながら膨張する。(注:点は、熱蒸気領域に示されている
が、湿り蒸気領域にもまたあり得る。) D5−D6 従来の蒸気サイクルシステムにおいて、この区画は、湿り蒸気領域
中への蒸気の完全な膨張である。しかし、本発明に記載の機関において、このプ
ロセスはガスサイクルプロセスで起こる。 D6−D1 従来の蒸気サイクルプロセスにおいて、この区域は、凝縮が熱の抽
出によって強いられるという点で、ガス状から液相に蒸気サイクルプロセスの作
業媒体Aが転換する。斜線の区域Qfromは、蒸気サイクルプロセスの廃熱に一致
する。本発明に記載の方法の場合には、このプロセスもまたガスサイクルプロセ
スで起こる。 D5−G2 ガスサイクルプロセス中への、完全にまたは部分的に膨張された蒸
気サイクルプロセスのガス状作業媒体Aの移動、およびガスサイクルプロセスの
圧縮されたガス状作業媒体ABへのガス状作業媒体Aの混合。気体混合物AGへ
の作業媒体Aの混合のために、気体混合物ABの相対的湿度は、成分Aに関して
増加する。
FIG. 3 shows a schematic description of a substantially coupled steam cycle process (left PV diagram) and a gas cycle process (right PV diagram). The steam cycle process shown here is a single process without multiple intermediate overheating. The method can also be applied to all other steam cycle processes. The present steam cycle process includes six points indicated by points D1 to D6. This gas cycle process is performed at point G
1 to G4 are included. The individual steps are described in detail below: D1-D2 The liquid of the steam cycle process is pumped from low pressure to high pressure via a pump and fed to the vaporizer at high pressure. D2-D3 The working medium A is vaporized in a high-pressure vaporizer by applying heat (Q to ),
It is converted from a liquid phase to a gaseous phase. D3-D4 The steam is superheated, but this superheating is not essential. Superheating may be omitted in the case of engines designed for low temperature heat utilization. The D4-D5 steam expands with shaft work output until its pressure matches the mixing pressure of the gas cycle process. (Note: points are shown in the hot steam area, but could also be in the wet steam area.) D5-D6 In a conventional steam cycle system, this section would be the complete steam flow into the wet steam area. Swelling. However, in the engine according to the invention, this process takes place in a gas cycle process. D6-D1 In a conventional steam cycle process, this area converts the working medium A of the steam cycle process from a gaseous to a liquid phase, in that the condensation is forced by the extraction of heat. The shaded area Q from corresponds to the waste heat of the steam cycle process. In the case of the method according to the invention, this process also takes place in a gas cycle process. D5-G2 Transfer of the gaseous working medium A of the fully or partially expanded steam cycle process into the gas cycle process, and the gaseous working medium to the compressed gaseous working medium AB of the gas cycle process Mixing of A. Due to the mixing of the working medium A into the gas mixture AG, the relative humidity of the gas mixture AB increases with respect to component A.

【0030】 ガスサイクルプロセスは、以下にその第1工程から説明される: G1−G2 ガスプロセス作業媒体ABの断熱圧縮。これは媒体ABの圧力およ
び温度の増加となり、その相対湿度は材料成分Aに関して減少する。点G2で、
媒体Aの材料の量は、転移D5−G2に記載されるように、蒸気サイクルプロセ
スから混合される。 G2−G3 実際の混合プロセス:ここで、ガスサイクルプロセスにある気体混
合物ABの量および(結果的に)体積は、蒸気サイクルプロセスからの媒体Aの
材料の量によって増加され、混合物ABの相対的湿度は材料成分Aに関して増加
する。混合プロセスは定圧で示されるが、これは本質的ではない。これは、混合
プロセスもまた圧力の変化を生じ得ることを意味する。混合は軸仕事の出力を生
じる。 G3−G4 気体混合物は、軸仕事の出力をしながら断熱的に膨張する。ここで
、作業媒体ABの圧力および温度は減少し、気体混合物AGの相対湿度は、その
材料成分Aに関して飽和の限界を越える。高い双極子モーメントを有する材料A
の分子は、凝固して、気体相に残る粒子ABに運動エネルギーの出力をしながら
液滴を形成する。ミストは、残る残留気体量ABの圧力および体積を減少しなが
ら形成される。気体相ABの相対湿度は、材料Aに関して100%まで増加する
。ミストとして凝縮する材料Aの量の凝縮の潜熱は、残留気体量ABに残る。 G4−G1 液体の抽出による体積の減少:ミストは、保存力の場(好ましくは
、遠心力の場)中の相分離によって、作業媒体ABの残留気体量から除去され、
液体として蒸気サイクルプロセスに戻される。点G4およびG1は、実際にとも
に非常に近接して位置し、その結果、PV線図のガスサイクルプロセスの輪郭線
は、ほとんど三角形を生じる。 G4−D1 この工程は、液体作業媒体Aに関して、ガスサイクルプロセスから
蒸気サイクルプロセスへの材料の交換を記載する。このように、ガスサイクルプ
ロセスから抽出される高い分子双極子モーメントを有する材料Aの液体量は、蒸
気サイクルプロセスに再供給される。
The gas cycle process is described below from its first step: G 1 -G 2 Adiabatic compression of the gas process working medium AB. This results in an increase in the pressure and temperature of the medium AB, the relative humidity of which decreases with respect to the material component A. At point G2,
The amount of medium A material is mixed from the steam cycle process as described in transition D5-G2. G2-G3 The actual mixing process: where the amount and (and consequently) the volume of the gas mixture AB in the gas cycle process is increased by the amount of medium A material from the steam cycle process and the relative mixture AB Humidity increases for material component A. The mixing process is shown at constant pressure, but this is not essential. This means that the mixing process can also cause pressure changes. Mixing produces the output of shaft work. The G3-G4 gas mixture expands adiabatically with the output of shaft work. Here, the pressure and temperature of the working medium AB decrease and the relative humidity of the gas mixture AG exceeds the saturation limit for its material component A. Material A with high dipole moment
Molecules solidify to form droplets while outputting kinetic energy to the particles AB remaining in the gas phase. The mist is formed while reducing the pressure and volume of the residual gas amount AB. The relative humidity of the gas phase AB increases up to 100% for material A. The latent heat of condensation of the amount of material A that condenses as mist remains in residual gas amount AB. G4-G1 Volume reduction due to liquid extraction: mist is removed from the residual gas content of the working medium AB by phase separation in the field of preservative force (preferably the field of centrifugal force)
It is returned to the vapor cycle process as a liquid. The points G4 and G1 are in fact very close together, so that the contour of the gas cycle process of the PV diagram is almost triangular. G4-D1 This step describes, for liquid working medium A, the exchange of materials from a gas cycle process to a steam cycle process. Thus, the liquid amount of material A having a high molecular dipole moment extracted from the gas cycle process is resupplied to the vapor cycle process.

【0031】 線D−1−2−3−4−5−6−1によって制限される、この領域は、蒸気サ
イクルプロセスにて発生され得る最大仕事に対応する。線G−1−2−3−4−
1によって制限される、この領域は、ガスサイクルプロセスで発生され得る最大
仕事に対応する。この蒸気サイクルプロセスの廃熱は、蒸気サイクルプロセス作
動媒体Aの排気ガスと共にガスサイクルプロセスへの入力熱として、点D5から
点G2へ移動され、そしてガスサイクルプロセスの廃熱は、凝縮された液体と共
に蒸気サイクルプロセスへの入力熱として、点G4から点D1へ移動される。両
サイクルプロセスは、供給された熱から、仕事および廃熱を生成する。この2個
のサイクルプロセスの組み合わせによって、1個の熱機関において、後者によっ
て、環境に廃熱は放出されない。
This region, limited by the line D-1-2-3--4-5-6-1, corresponds to the maximum work that can be generated in the steam cycle process. Line G-1-2-3-4-
This area, limited by 1, corresponds to the maximum work that can be generated in the gas cycle process. The waste heat of the steam cycle process is transferred from point D5 to point G2 as input heat to the gas cycle process with the exhaust gas of the steam cycle process working medium A, and the waste heat of the gas cycle process is condensed liquid At the same time, the heat is transferred from the point G4 to the point D1 as input heat to the steam cycle process. Both cycle processes generate work and waste heat from the supplied heat. Due to the combination of the two cycle processes, no waste heat is released to the environment by the latter in one heat engine.

【0032】 図4は、本発明に従う熱機関において、蒸気サイクルプロセスとガスサイクル
プロセスとの間のでのエネルギーの流出入を示す。この機関は、2個のサイクル
プロセスを有し、その各々は、提供された熱から軸仕事(WDおよびWG)ならび
に廃熱(QDおよびQG)を生成する。図4に示されるように、この熱Q外部+Q G は、蒸気サイクルプロセスに供給され、そして熱QDは、ガスサイクルプロセス
に供給される。この2個のサイクルプロセスが、相反的に、それらそれぞれの廃
熱流出入を、供給された熱として再利用できるという事実により、この機関は、
十分に、この外部から供給された熱流出入Q外部を軸仕事W外部に変換すること
ができる(任意に放射された熱未満である)。
FIG. 4 shows a steam cycle process and a gas cycle in a heat engine according to the present invention.
This shows the flow of energy into and out of the process. This engine has two cycles
Processes, each of which has a shaft work (WDAnd WG)
Waste heat (QDAnd QG). As shown in FIG.Outside+ Q G Is supplied to the steam cycle process and heat QDThe gas cycle process
Supplied to The two cycle processes are, conversely, their respective waste.
Due to the fact that heat flow can be reused as supplied heat,
Enough to provide this externally supplied heatOutsideThe axis work WOutsideCan be converted to
(Optionally less than the heat emitted).

【0033】 これは、微視的レベルで、分子間力的に作用する、実在気体の双極子モーメン
トの利用によって、速い(=温度の高い)および遅い(=温度の低い)粒子の分
離が、保存された力の場において、噴霧化を通しての凝縮およびその後の分離で
遂行されるので、可能である。
This is because, at the microscopic level, the separation of fast (= high temperature) and slow (= low temperature) particles by the use of the dipole moment of a real gas, acting intermolecularly, In a field of conserved forces, it is possible because it is carried out by condensation through atomization and subsequent separation.

【0034】 気体相において、分子間でのエネルギー移動は、弾性衝突によってもたらされ
、そして任意の方向性の制限とは関連しない。分子レベルにおいて、運動エネル
ギー(=熱)の正味の移動は、弾性衝突において、重くかつ遅い(=温度が低い
)衝突相手から、軽くかつ速い(=温度が高い)衝突相手へもたらされ得る。す
なわち、Maxwellによると、この分子の速度は、確率分布に関連するので
、対応する微視的に測定された温度よりも、充分に速い、または遅い衝突相手が
、常に存在する。大きい、および小さい双極子モーメントを有する分子からの気
体の混合は、従って、必然的に、温度の減少の際、高い双極子モーメントを有す
る分子の凝固が起こり、次いで、弾性衝突において、より小さい双極子モーメン
トを有する分子を伴う、より重い衝突相手のように、さらに多くの運動エネルギ
ー(=熱)を損失する。この温度減少は、断熱膨張(G3〜G4段階参照)によ
って、強制され、そのため、大きな双極子モーメントを有する遅い分子は、他方
と互いに付着したままであるべきで、そしてそれらの運動エネルギーを低い双極
子モーメントを有する分子へ放出しなければならない。この気体相での凝縮熱の
移動が、異なる温度の本体間では起こらないという事実によるが、Maxwel
lの速度分布の範囲にある粒子間での弾性衝突による分子レベルでは、第二熱力
学の法則が観測される。
In the gas phase, energy transfer between molecules is provided by elastic collisions and is not associated with any directional limitations. At the molecular level, a net transfer of kinetic energy (= heat) can be brought from a heavy and slow (= low temperature) collision partner to a light and fast (= high temperature) collision partner in elastic collisions. That is, according to Maxwell, since the velocity of this molecule is related to the probability distribution, there is always a collision partner sufficiently faster or slower than the corresponding microscopically measured temperature. Mixing of gases from molecules with large and small dipole moments therefore necessarily results in the solidification of the molecules with high dipole moments when the temperature decreases, and then in elastic collisions the smaller dipoles Loss even more kinetic energy (= heat), like a heavier collision partner with molecules with child moments. This temperature reduction is forced by adiabatic expansion (see stages G3-G4), so that slow molecules with large dipole moments should remain attached to one another and reduce their kinetic energy to low dipole Must be released to the molecule with the child moment. Due to the fact that this transfer of heat of condensation in the gas phase does not take place between bodies at different temperatures, Maxwell
At the molecular level due to elastic collisions between particles within the range of 1 velocity distribution, the second thermodynamic law is observed.

【0035】 このプロセスは、図5に示されている。図5の左図は、2個の作業媒体Aおよ
びBの気体混合物のMaxwell速度分布を示し、ここで、各々の場合での、
N(u)は、特定の速度uを有する分子の数を明記する。冷却時、ミスト凝縮が
、断熱凝縮を通して、遂行される。濃度の減少した作業媒体Aを有する、作業媒
体AおよびBの混合物は、気体状態で存在し続ける(図5の上右図)。対照的に
、作業媒体Aは、液滴を形成して、そして気体相から、例えば、遠心機の援助を
伴って、除去され得る(図5の下右図)。
This process is shown in FIG. The left figure of FIG. 5 shows the Maxwell velocity distribution of the gas mixture of the two working media A and B, where, in each case,
N (u) specifies the number of molecules with a particular velocity u. Upon cooling, mist condensation is performed through adiabatic condensation. The mixture of the working media A and B, with the working medium A having a reduced concentration, remains present in the gaseous state (upper right figure in FIG. 5). In contrast, the working medium A can form droplets and be removed from the gas phase, for example with the aid of a centrifuge (lower right figure in FIG. 5).

【0036】 物質の交換が、この環境を伴わずに、機関内の2個のサイクルプロセス間のみ
で起こる。この機関は、閉鎖されたシステムとして構築され得、この系の境界で
は、熱エネルギーおよび軸仕事のみを伝達する。この機関が、いずれの廃熱も環
境へ戻す送達をすべきではないので、これは、1つの熱源として、低温熱エネル
ギーを利用し得る。これは、この蒸気サイクルプロセスが、この低温熱源の温度
未満の相転移温度を有することを要求する。さもなくば、この低温熱は、この蒸
気サイクル作業媒体の気化のために使用され得ない。この時、この放射損失は小
さいので、熱エネルギーが低温で供給される場合、この機関の効率は、高温熱の
適用よりも低温熱の適用で、さらに良くなる。
Material exchange occurs only between two cycle processes in the engine, without this environment. The engine can be constructed as a closed system, transferring only thermal energy and shaft work at the boundaries of the system. It may utilize low temperature thermal energy as one heat source, as the engine should not deliver any waste heat back to the environment. This requires that the steam cycle process have a phase transition temperature that is less than the temperature of the low temperature heat source. Otherwise, the low temperature heat cannot be used for vaporizing the steam cycle working medium. At this time, the efficiency of the engine is even better with low-temperature heat application than with high-temperature heat when thermal energy is supplied at low temperature, since this radiation loss is small.

【0037】 本発明に従うこの熱機関は、ピストンエンジン(モーター)として、またはフ
ローエンジン(タービン)として設計され得る。遠心場は、ミストの相分離に有
利であるので、フローエンジンは、このような遠心力が、容易に、タービンの回
転部分において発生され得る事実から、好まれて使用される。
This heat engine according to the invention can be designed as a piston engine (motor) or as a flow engine (turbine). Since centrifugal fields are advantageous for phase separation of mist, flow engines are preferably used because of the fact that such centrifugal forces can easily be generated in the rotating part of the turbine.

【0038】 本発明に従う方法を実施するのに適切な2個のフローエンジンは、図6および
7と参照して記載される。
Two flow engines suitable for implementing the method according to the invention are described with reference to FIGS. 6 and 7.

【0039】 図6は、過熱を伴う蒸気サイクルプロセスに適切である、包括的な系を示し、
そして図7は、最小限の構成として、絶対に必須である系の要素のみを含むコン
パクトな系を示す。
FIG. 6 shows a comprehensive system suitable for a steam cycle process with superheating,
FIG. 7 shows, as a minimum configuration, a compact system that includes only those elements of the system that are absolutely essential.

【0040】 両方の図は、この成分の間で、物質の流出入の表示と共に、それらの構造の設
計を伴わない各機関の機能成分のみを含む。
Both figures include only the functional components of each institution without the design of their structure, with indications of the inflow and outflow of substances between these components.

【0041】 図6に示されるように、本発明の従う熱機関は、少なくとも以下の機能成分を
含む:ポンプ、蒸発器、蒸気タービン、混合チャンバ、ガスタービン、コンデン
サ、遠心機およびコンプレッサ。この蒸気サイクルプロセスは、以下の成分を含
む:ポンプ、蒸発器、蒸気タービンおよびコンデンサ。このガスサイクルプロセ
スは、以下の成分を備える:ガスタービンおよびコンプレッサ。この2個のサイ
クルプロセス間での、物質の交換は、混合チャンバおよび遠心機によって、遂行
される。軸仕事の消費部は、コンプレッサ、ポンプおよび遠心機であり、これら
は、ガスタービンおよび/または蒸気タービンによって、作動される。同時に、
蒸気タービンまたは/およびガスタービンは、軸仕事を外部の消費部に出力する
As shown in FIG. 6, the heat engine according to the invention comprises at least the following functional components: pump, evaporator, steam turbine, mixing chamber, gas turbine, condenser, centrifuge and compressor. This steam cycle process includes the following components: pump, evaporator, steam turbine and condenser. This gas cycle process comprises the following components: gas turbine and compressor. The exchange of material between the two cycle processes is accomplished by a mixing chamber and a centrifuge. Consumers of shaft work are compressors, pumps and centrifuges, which are operated by gas turbines and / or steam turbines. at the same time,
The steam turbine and / or gas turbine outputs shaft work to an external consumer.

【0042】 この蒸発器は、このポンプを介して、熱の付加を通して、高圧で、気化され、
そして軸仕事の出力を伴う蒸気タービン中で膨張される液体作業媒体Aが供給さ
れる。この蒸気タービンの排気ガスは、混合チャンバ内で、コンプレッサによっ
て圧縮されたガスサイクルプロセスの作業ガスABと共に、混合され、そして軸
仕事の出力を伴うガスタービンによって膨張される。ガスタービンを離した後、
ミストが、コンデンサ内で生成される。このミストは、遠心機内で、ガスサイク
ルプロセスの気体相から除去されて、そして、ポンプを通して、液体として蒸気
サイクルプロセスへと再供給される。
The evaporator is vaporized at high pressure through the pump through the addition of heat,
Then, a liquid working medium A that is expanded in a steam turbine with an output of shaft work is supplied. The exhaust gas of this steam turbine is mixed in a mixing chamber with the working gas AB of the gas cycle process compressed by the compressor and expanded by the gas turbine with the output of shaft work. After releasing the gas turbine,
Mist is generated in the capacitor. This mist is removed from the gas phase of the gas cycle process in the centrifuge and re-fed as a liquid to the vapor cycle process through a pump.

【0043】 図7は、タービン成分の混合チャンバおよび機能成分のコンデンサおよび凝縮
遠心成分の遠心機と共に、機能成分の蒸気タービンおよびガスタービンを含む。
ここで、この2個のサイクルプロセスのガス流出入は、直接的に、タービン中で
一緒にもたらされ、そしてこの排気ガスは凝縮遠心機内で二相に分離される。こ
のポンプおよびコンプレッサは、各流体をこのサーキット内に戻し送達する。こ
のようなユニットは、非常にコンパクトな構造であり得る。
FIG. 7 includes a functional component steam turbine and a gas turbine, as well as a turbine component mixing chamber and a functional component condenser and a condensing centrifuge component centrifuge.
Here, the gas inflows and outflows of the two cycle processes are directly brought together in a turbine, and the exhaust gas is separated into two phases in a condensing centrifuge. The pump and compressor deliver each fluid back into the circuit. Such a unit can be of a very compact construction.

【0044】 本発明に従う熱機関は、高温領域および低温領域の両方において、使用され得
、この蒸気サイクルプロセスの相転移温度が、熱源の温度未満であることが提供
され得る。この熱機関は、この系環境と物質とのいずれの交換も要求しないので
、これは、完全に、環境的に、中性である。熱安定性を欠くため、高温領域にて
使用され得ない物質を使用することが、低温領域において、可能である。
A heat engine according to the present invention may be used in both hot and cold regions, providing that the phase transition temperature of the steam cycle process is less than the temperature of the heat source. It is completely environmentally neutral, as the heat engine does not require any exchange of the system environment with the material. Due to the lack of thermal stability, it is possible to use materials that cannot be used in the high temperature range in the low temperature range.

【0045】 結果的に、先行技術に従う従来の機関の影響を受けない適用が、物質の環境と
のいずれの交換も有さない低温熱機関に対して、利用され得る。
Consequently, conventional engine unaffected applications according to the prior art can be utilized for low temperature heat engines which do not have any exchange of material with the environment.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

本発明に記載の方法およびこの方法の実行のための本発明に記載の熱機関は、
付随する図を参照して以下に記載される、ここで:
The method according to the invention and the heat engine according to the invention for carrying out this method comprise:
Described below with reference to the accompanying figures, where:

【図1】 図1は、初期効率35%の熱機関の20サイクルに渡って累積される効率を示
す;
FIG. 1 shows the efficiency accumulated over 20 cycles of a heat engine with an initial efficiency of 35%;

【図2】 図2は、初期効率5%の熱機関の200サイクルに渡って累積される効率を示
す;
FIG. 2 shows the efficiency accumulated over 200 cycles of a heat engine with an initial efficiency of 5%;

【図3】 図3は、本発明に記載の、ガスサイクルプロセスと連結した蒸気サイクルプロ
セスのPV線図を示す;
FIG. 3 shows a PV diagram of a steam cycle process coupled with a gas cycle process according to the present invention;

【図4】 図4は、本発明に記載の熱機関のサイクルプロセス間のエネルギーの流れ説明
を示す;
FIG. 4 shows a description of the energy flow during the cycle process of the heat engine according to the invention;

【図5】 図5は、マクスウエル分布と2つの作業媒体AおよびABのミストの凝縮の説
明を示す;
FIG. 5 shows an illustration of Maxwellian distribution and mist condensation of the two working media A and AB;

【図6】 図6は、本発明に記載の熱機関の個々の機能の構成の詳細な説明を示す;そし
FIG. 6 shows a detailed description of the configuration of the individual functions of the heat engine according to the invention; and

【図7】 図7は、本発明に記載の小型熱機関の機能の構成の説明を示す。FIG. 7 shows an explanation of the configuration of the function of the small heat engine according to the present invention.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,SD,SZ,UG,ZW),EA(AM ,AZ,BY,KG,KZ,MD,RU,TJ,TM) ,AL,AM,AT,AU,AZ,BA,BB,BG, BR,BY,CA,CH,CN,CU,CZ,DE,D K,EE,ES,FI,GB,GE,GH,GM,HR ,HU,ID,IL,IS,JP,KE,KG,KP, KR,KZ,LC,LK,LR,LS,LT,LU,L V,MD,MG,MK,MN,MW,MX,NO,NZ ,PL,PT,RO,RU,SD,SE,SG,SI, SK,SL,TJ,TM,TR,TT,UA,UG,U S,UZ,VN,YU,ZW──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of front page (81) Designated country EP (AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LU, MC, NL, PT, SE ), OA (BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG), AP (GH, GM, KE, LS, MW, SD, SZ, UG, ZW), EA (AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM), AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BY, CA, CH, CN, CU, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, GB, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IS, JP, KE, KG, KP , KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, MD, MG, MK, MN, MW, MX, NO, NZ, PL, PT, RO, RU, SD, SE, SG, SI, SK, SL, TJ, TM, TR, TT, UA, UG, US, UZ, VN, YU, ZW

Claims (19)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 第1熱力学サイクルプロセスおよび少なくとも1つの第2サ
イクルプロセスを有する熱機関において、力学的エネルギーへの熱エネルギーの
変換のための方法であって、該熱機関において、該第1サイクルプロセスの廃熱
が、該第2サイクルプロセスに供給され、そして該第2サイクルプロセスの廃熱
が、該第1サイクルプロセスに供給され、 該第1サイクルプロセスが蒸気サイクルプロセスであって、そして該第2サイ
クルプロセスがガスサイクルプロセスであり、そして物質の交換が該ガスサイク
ルプロセスと該蒸気サイクルプロセスとの間で起こる、 方法。
1. A method for the conversion of thermal energy to mechanical energy in a heat engine having a first thermodynamic cycle process and at least one second cycle process, wherein the heat engine includes the first thermodynamic cycle process and the at least one second cycle process. Waste heat of a cycle process is provided to the second cycle process, and waste heat of the second cycle process is provided to the first cycle process, wherein the first cycle process is a steam cycle process, and The method wherein the second cycle process is a gas cycle process and the exchange of material occurs between the gas cycle process and the steam cycle process.
【請求項2】 前記第1サイクルプロセスおよび前記第2サイクルプロセス
が、環境との、物質の交換を伴わずに、同時に進行する、請求項1に記載の方法
2. The method of claim 1, wherein the first cycle process and the second cycle process proceed simultaneously without any exchange of material with the environment.
【請求項3】 前記蒸気サイクルプロセスにおいて、高い分子双極子モーメ
ントを有する、物質または物質の混合物を含む作業媒体Aが使用され、そして前
記ガスサイクルプロセスにおいて、低い分子双極子モーメントを有する物質また
は物質の混合物を含み、蒸気サイクルプロセスの媒体Aおよび第2成分Bの前記
気体相からの混合物を含む、作業媒体ABが使用される、請求項1または2のい
ずれか1項に記載の方法。
3. A working medium A comprising a substance or a mixture of substances having a high molecular dipole moment is used in the vapor cycle process, and a substance or substance having a low molecular dipole moment in the gas cycle process. Process according to any of the preceding claims, wherein a working medium AB is used, comprising a mixture from the gas phase of a medium A and a second component B of a steam cycle process.
【請求項4】 外部から前記熱機関へ供給される熱エネルギーが、好適に、
前記液体蒸気プロセスの作業媒体Aの気化のために使用される、請求項3に記載
の方法。
4. Thermal energy supplied to the heat engine from the outside is preferably
4. The method according to claim 3, wherein the method is used for vaporizing a working medium A of the liquid vapor process.
【請求項5】 前記蒸気サイクルプロセスの作業媒体Aが、物質の交換を通
して、両方のサイクルプロセスに関与する、請求項3および4のいずれか1つに
記載の方法。
5. The method according to claim 3, wherein the working medium A of the steam cycle process participates in both cycle processes through a substance exchange.
【請求項6】 前記蒸気サイクルプロセスの作業媒体Aの前記気体相が、前
記ガスサイクルプロセスの作業媒体ABの前記気体相と混合される、請求項3〜
5のいずれか1つに記載の方法。
6. The gas phase of the working medium A of the steam cycle process is mixed with the gas phase of the working medium AB of the gas cycle process.
A method according to any one of the preceding claims.
【請求項7】 液体−気体−液体相サイクルの変化が、軸仕事の出力と共に
、前記蒸気サイクルプロセス中で起こる、請求項1〜6のいずれか1つに記載の
方法。
7. The method according to claim 1, wherein the change of the liquid-gas-liquid phase cycle occurs in the steam cycle process together with the output of the shaft work.
【請求項8】 前記蒸気サイクルプロセスの作業媒体Aのサイクル量または
濃度の変化が、ガスサイクルプロセスの作業媒体前記ABに関して、軸仕事の出
力を伴い、前記ガスサイクルプロセス中で起こる、請求項3〜7のいずれか1つ
に記載の方法。
8. The process of claim 3, wherein the change in cycle amount or concentration of the working medium A of the steam cycle process occurs with respect to the working medium AB of the gas cycle process, accompanied by an output of shaft work. The method according to any one of claims 1 to 7.
【請求項9】 前記蒸気サイクルプロセスの作業媒体Aの凝縮が、前記ガス
サイクルプロセスの作業媒体ABの前記膨張相内および間で、本質的に起こる、
請求項3〜8のいずれか1つに記載の方法。
9. The condensation of the working medium A of the steam cycle process essentially takes place in and during the expansion phase of the working medium AB of the gas cycle process.
A method according to any one of claims 3 to 8.
【請求項10】 前記蒸気サイクルプロセスの作業媒体Aの相転移により生
成される前記ミストが、保存された力の場、好ましくは、遠心場によって、前記
ガスサイクルプロセスの作業媒体ABから分離され、そして液体として、該蒸気
サイクルプロセスの該作業媒体Aに再供給される、請求項3〜9のいずれか1つ
に記載の方法。
10. The mist generated by the phase transition of the working medium A of the steam cycle process is separated from the working medium AB of the gas cycle process by a stored force field, preferably a centrifugal field. 10. The method according to any one of claims 3 to 9, wherein the liquid is re-supplied as a liquid to the working medium A of the steam cycle process.
【請求項11】 前記蒸気サイクルプロセスの作業媒体Aおよび前記ガスサ
イクルの前記作業媒体ABの第2成分Bが、以下の組み合わせ: A=水およびB=空気; A=二酸化炭素およびB=空気/窒素; A=アンモニアおよびB=空気/窒素; A=冷却混合物およびB=空気/窒素; A=窒素およびB=水素;または A=窒素およびB=不活性ガス; で存在し得る、請求項3〜10のいずれか1つに記載の方法。
11. The working medium A of the steam cycle process and the second component B of the working medium AB of the gas cycle have the following combination: A = water and B = air; A = carbon dioxide and B = air / A = ammonia and B = air / nitrogen; A = cooling mixture and B = air / nitrogen; A = nitrogen and B = hydrogen; or A = nitrogen and B = inert gas. The method according to any one of claims 10 to 10.
【請求項12】 請求項1〜11のいずれか1つに記載の方法の遂行のため
の熱機関であって、第1熱力学サイクルプロセスおよび少なくとも1つの第2熱
力学サイクルプロセスを有し、該第1サイクルプロセスの廃熱が、該第2サイク
ルプロセスに供給され、そして該第2サイクルプロセスの廃熱が該第1サイクル
プロセスに供給される熱機関であって、ここで、該第1サイクルプロセスが、蒸
気サイクルプロセスであり、そして該第2サイクルプロセスが、ガスサイクルプ
ロセスであり、そして物質の交換が、該ガスサイクルプロセスと該蒸気サイクル
プロセスとの間で起こる、熱機関。
12. A heat engine for performing the method of any one of claims 1 to 11, comprising a first thermodynamic cycle process and at least one second thermodynamic cycle process. A heat engine wherein the waste heat of the first cycle process is provided to the second cycle process and the waste heat of the second cycle process is provided to the first cycle process, wherein the first A heat engine, wherein the cycle process is a steam cycle process, and the second cycle process is a gas cycle process, and material exchange occurs between the gas cycle process and the steam cycle process.
【請求項13】 前記熱機関が、少なくとも前記機能成分ポンプ、蒸発器、
蒸気タービン、混合チャンバ、ガスタービン、コンデンサ、遠心機およびコンプ
レッサを包含する、請求項12に記載の熱機関。
13. The heat engine, comprising: at least the functional component pump; an evaporator;
13. The heat engine according to claim 12, comprising a steam turbine, a mixing chamber, a gas turbine, a condenser, a centrifuge and a compressor.
【請求項14】 前記蒸気サイクルプロセスの前記液体作業媒体Aが、圧力
の増加の、前記蒸発器に供給され、そこで熱エネルギーが供給されると蒸発し、
そして軸仕事の出力によって、前記蒸気タービン中で膨張する、請求項13に記
載の熱機関。
14. The liquid working medium A of the steam cycle process is supplied to the evaporator at increasing pressure, where it evaporates when supplied with thermal energy,
The heat engine according to claim 13, wherein the heat of the shaft work expands in the steam turbine.
【請求項15】 前記蒸気タービンの排ガスが、前記ガスサイクルプロセス
の前記圧縮された作業媒体ABと、前記混合チャンバ内で混合され、軸仕事の前
記出力により前記ガスタービン中で膨張し、そしてコンデンサ中での膨張を通し
ての噴霧化をもたらし、 前記蒸気プロセスの作業媒体Aのミストが、前記遠心機内で分離され、そして
前記ポンプによって、液体として、前記蒸発器へ供給され、そして 残存するガスサイクルプロセスの作業媒体ABが、前記コンプレッサを介して
、該遠心機から該混合チャンバへと再供給される、 請求項13および14のいずれかに記載の熱機関。
15. The steam turbine exhaust gas is mixed with the compressed working medium AB of the gas cycle process in the mixing chamber, expanded in the gas turbine by the power of shaft work, and a condenser. Mist of the working medium A of the steam process is separated in the centrifuge and fed by the pump as liquid to the evaporator, and the remaining gas cycle process Heat engine according to any of claims 13 and 14, wherein the working medium AB is re-supplied from the centrifuge to the mixing chamber via the compressor.
【請求項16】 前記コンプレッサ、ポンプおよび遠心機が、前記蒸気ター
ビンおよび/または前記ガスタービンによって作動される、請求項13〜15の
いずれか1つに記載の熱機関。
16. The heat engine according to claim 13, wherein the compressor, pump and centrifuge are operated by the steam turbine and / or the gas turbine.
【請求項17】 前記蒸気タービンおよび/または前記ガスタービンが、軸
仕事を外部消費部へ出力する、請求項13〜16のいずれか1つに記載の熱機関
17. The heat engine according to claim 13, wherein the steam turbine and / or the gas turbine output shaft work to an external consumer.
【請求項18】 前記機能成分である蒸気タービン、ガスタービンおよび混
合チャンバが組み合わされて、1つの機能ユニットであるタービンを形成し、な
らびに前記機能成分であるコンデンサおよび遠心機が組み合わされて、1つの機
能ユニットである凝縮遠心機を形成する、請求項13〜17のいずれか1つに記
載の熱機関。
18. The functional component, a steam turbine, a gas turbine, and a mixing chamber are combined to form one functional unit, a turbine, and the functional component, a condenser and a centrifuge, are combined to form a turbine. The heat engine according to any one of claims 13 to 17, forming a condensing centrifuge that is a single functional unit.
【請求項19】 前記蒸気プロセスの作業媒体の前記相転移温度が、前記熱
機関の周囲温度よりも低い、請求項12〜18のいずれか1つに記載の熱機関。
19. The heat engine according to claim 12, wherein the phase transition temperature of the working medium of the steam process is lower than an ambient temperature of the heat engine.
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