WO1999025955A1 - Heat engine with an improved degree of efficiency - Google Patents

Heat engine with an improved degree of efficiency Download PDF

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WO1999025955A1
WO1999025955A1 PCT/EP1998/006933 EP9806933W WO9925955A1 WO 1999025955 A1 WO1999025955 A1 WO 1999025955A1 EP 9806933 W EP9806933 W EP 9806933W WO 9925955 A1 WO9925955 A1 WO 9925955A1
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steam
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gas
heat
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PCT/EP1998/006933
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Martin Ziegler
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Martin Ziegler
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    • F01K21/04Steam engine plants not otherwise provided for using mixtures of steam and gas; Plants generating or heating steam by bringing water or steam into direct contact with hot gas
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/16Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]

Definitions

  • the invention relates to a method for converting thermal energy into mechanical energy in a heat engine in which the thermal efficiency of the heat engine is increased without the upper and / or the lower cycle temperature having to be changed.
  • the invention also relates to a heat engine for performing this method.
  • the thermal efficiency of the cycle of such a machine is the ratio between the shaft work achieved and the thermal primary energy used. It grows with the height of the difference between the upper and the lower process temperature and can at most reach the value of an ideal Carnot machine.
  • the maximum achievable thermal efficiency of the cycle results from Carnot's theorem:
  • T 0 is the upper process temperature
  • T u is the lower process temperature.
  • a heat engine In order to achieve the highest possible yield of shaft work or kinetic energy per unit of thermal primary energy used, a heat engine must have the highest possible thermal efficiency. This goal can be achieved by increasing the efficiency of the cycle. For this, according to Carnot's theorem, either lowering the lower process temperature and / or increasing the upper process temperature is required. The increase in the upper process temperature is limited due to the temperature resistance of the materials used in a heat engine.
  • Another method for increasing the efficiency of heat engines is to reduce the exergy losses when absorbing and dissipating thermal energy by making the most of the available temperature difference between absorbed and emitted heat in a chain of cycle processes.
  • two or more machines are connected in series, the waste heat from an upstream cycle process being used as heat from a subsequent cycle process.
  • This process is used, for example, in modern combined cycle power plants (combined cycle power plants), in which the high temperature of a combustion process is first used in a gas turbine, the exhaust gas of which is then also used to heat a steam power plant. In this way, the exergy loss in steam generation is reduced and the temperature gradient between the combustion and ambient temperature is used in several stages.
  • a disadvantage of the serial coupling of circular processes is the additional outlay in terms of equipment for heat transfer and energy conversion per circular process. Furthermore, the exergy losses of the energy conversion increase with the number of serially coupled cycle processes, since the heat transfer by means of a heat exchanger is only possible if a finite temperature difference is maintained. Another disadvantage is that the waste heat from the last cycle in the serial chain still has to be dissipated to the environment.
  • the present invention is therefore based on the object of providing a method in which the thermal efficiency of a heat engine can be increased without having to change the upper and / or the lower process temperature of the thermal cycle. It is also an object of the invention to provide a heat engine for performing this method.
  • the thermal efficiency of the cycle is defined by the ratio of work done to the thermal energy used, per cycle of the cycle.
  • the thermal efficiency of a heat engine is defined by the ratio of work done to the thermal energy used, and is summed up over all cycles of the cycle.
  • the efficiency of a heat engine is greater than the efficiency of its associated cycle if the waste heat from its cycle can be used in whole or in part as primary energy within the machine (waste heat recycling). In this case, the energy contained in the waste heat of the cycle does not need to be replaced or only partially replaced by new primary energy, and the cumulative efficiency of the machine increases with the number of cycles completed.
  • Figure 2 shows the same process for a cyclic process with a very poor efficiency of only 5%. Even for such a poor process efficiency, the efficiency of the heat engine can be increased very widely over the number of cycles. With sufficiently efficient waste heat recirculation, such a heat engine can be operated economically when using low-temperature heat.
  • the waste heat recirculation is limited in that the waste heat temperature is significantly lower than the required temperature of the heat to be supplied to the cycle. Therefore, only a small part of the energy contained in the waste heat can be returned to the cycle. Raising the temperature level of the waste heat to the upper process temperature would require a heat pump in conventional machines so that the energy of the waste heat could be returned to the cycle. This heat pump would consume part of the shaft work generated by the first machine. As a result, the waste heat return for conventional heat engines according to the state of the art is only economically possible to a limited extent.
  • the method according to the invention now increases the cumulative thermal efficiency of heat engines by internal waste heat recirculation without consuming shaft work for a conventional heat pump process.
  • the heat engine according to the invention has one steam and one gas cycle process within a heat engine, that is, two simultaneous cycle processes which are 'entangled' or superimposed on one another in the gas phase.
  • the steam cycle process is used to generate wave work.
  • the steam cycle process draws its heat from an external heat source, the waste heat from the steam cycle being the heat for the coupled gas cycle process.
  • the working medium A in the steam cycle process is a substance or mixture of substances whose components have a significantly higher molecular dipole moment than a component B of the working medium AB in the gas cycle process, which is essentially permanently in a gaseous state.
  • working medium A undergoes a cyclical phase change between liquid and gas, and to a large extent like in a conventional steam engine or steam turbine.
  • the gas cycle process serves to recycle waste heat within the heat engine according to the invention.
  • the waste heat contained in the relaxed working medium A of the steam cycle process is materially supplied to the gas cycle process as heat for generating wave work.
  • the gas cycle process also converts part of the waste heat from the steam cycle into wave work.
  • Component B is a substance or a mixture of substances whose constituents have a significantly lower molecular dipole moment than the constituents of working medium A from the steam cycle process.
  • the working medium AB is regularly supplied with a gaseous amount of the working medium A from the steam cycle process and withdrawn again in liquid form.
  • the percentage of A within AB changes periodically over a closed cycle of the gas cycle process.
  • the material entanglement of both cycle processes in the gas phase serves the direct exchange of heat energy between the substances or substance mixtures A and AB of the two cycle processes and the condensation of the working medium A.
  • the exchange of heat energy takes place using Brown's see molecular movement through elastic collisions between gas molecules the substances of both working media (number of impacts on the order of 10 per second).
  • the kinetic energy of the molecules (which is equivalent to temperature) is subject to a statistical probability distribution according to Maxwell's theory.
  • Maxwell's theory it should be noted that the atoms or molecules of a gas or in a liquid move continuously and constantly collide with one another. Due to the impact processes, they constantly change their direction of movement, their energy and thus also their speed.
  • the velocity in a gas or in a liquid is therefore not the same for all atoms or molecules, but follows Maxwell's velocity distribution.
  • E 3 kT / 2.
  • there is not just one temperature in the gas phase but a range of temperatures that is equivalent to the statistical distribution of molecular velocities.
  • the chaotic movement of the Molecules from material groups A and B in the gas phase produce elastic collisions between molecules with different velocities and dipole moments.
  • a phase transition of the working medium A occurs due to a spontaneous formation of fog from the mixture AB in the gas cycle process of the heat engine according to the invention.
  • the drops of this mist can then be removed from the gas phase of the gas cycle process by means of a phase separation using conservative force fields (for example gravity or centrifugal field) and fed back to the steam cycle process via a feed water pump.
  • a stream of working medium A in the gaseous phase is thus supplied to the gas cycle process and withdrawn again in the liquid phase.
  • the heat supplied to the gas cycle process is the latent heat contained in the supplied gaseous fraction A, which corresponds to the heat of condensation.
  • the heat transfer from the steam cycle process to the gas cycle process takes place through condensation of the working medium A in the gas cycle process.
  • the waste heat from the gas cycle process is the heat dissipated with the liquid phase of working medium A.
  • the difference between supplied and removed heat is the heat of condensation of the material flow of the quantity of working medium A exchanged between the steam cycle process and the gas cycle process. It corresponds to the maximum wave work that can be generated in the gas cycle process.
  • the heat of condensation of the steam cycle process of the heat engine according to the invention can thus be process (minus any radiated heat) can be completely converted into wave work. With the exception of the radiated heat, the heat engine according to the invention therefore has no further waste heat.
  • the efficiency of a heat engine according to the invention is thus increased over the number of cycle cycles, even if the steam cycle efficiency is poor. It follows that the heat engine according to the invention is also suitable as an energy converter for the use of low-temperature heat.
  • FIG. 2 shows the efficiency of a heat engine accumulated over 200 cycles with an initial efficiency of 5%
  • FIG. 3 shows the pV diagram of a steam cycle process which is coupled with a gas cycle process according to the invention
  • FIG. 4 shows the energy flows between the circular processes of the heat engine according to the invention
  • FIG. 5 shows the Maxwell distribution and the fog condensation of the two working media A and AB
  • FIG. 6 shows a detailed illustration of the individual functional modules of the heat engine according to the invention.
  • Figure 7 is an illustration of the function blocks of a compact heat engine according to the invention.
  • FIG. 1 shows various courses of the efficiencies of a hypothetical heat engine over 20 cycles.
  • the cycle process of the heat engine has a thermal efficiency of 35%.
  • the heat engine has the same efficiency as long as no waste heat is returned to the cycle (course at 0%). If the waste heat that is emitted by it is fed back to the cycle to a certain extent over several cycles, the efficiency of the heat engine slowly increases. With waste heat recirculation of 80%, for example, the heat engine shown achieves an efficiency of about 70% after 20 cycles.
  • FIG. 2 shows the same process for a cyclic process with an efficiency of only 5%.
  • the efficiency of the heat engine increases from 80% to a value of approximately 20% with waste heat recirculation. With the help of waste heat recirculation, the efficiency of the heat engine could be roughly quadrupled compared to the efficiency of the cycle.
  • a steam cycle process left pV diagram
  • a gas cycle process right pV diagram
  • a simple process without multiple reheating is shown here as a steam cycle process.
  • the method can also be applied to all other steam cycle processes.
  • the steam cycle process contains six excellent points Dl to D6.
  • the gas cycle process contains four excellent points G1 to G4. The individual steps are explained in detail below:
  • the liquid of the steam cycle is pumped from low to high pressure and fed to an evaporator at high pressure.
  • D2-D3 Working medium A is evaporated in the evaporator at high pressure with the addition of heat (Q zu ) and converted from the liquid to the gaseous phase.
  • D5-D6 In a conventional steam cycle process, this section would be the complete expansion of the steam down to the wet steam area. In the machine according to the invention, however, this process takes place in the gas cycle process.
  • D6-D1 In the case of a conventional steam cycle process, this section would be the transfer of the steam cycle process medium A from the gaseous to the liquid phase, in that the condensation is forced by means of heat removal.
  • the hatched area Q ab corresponds to the waste heat from the steam cycle. In the method according to the invention, this process also takes place in the gas cycle process.
  • G1-G2 Adiabatic compression of the gas process working medium AB.
  • the pressure and temperature of the medium AB rise and its relative humidity with respect to the component A decreases.
  • a quantity of substance of the medium A from the steam cycle process is mixed in, as described for the transition D5-G2.
  • the gas mixture is expanded adiabatically with the release of wave work.
  • the molecules of substance A with a higher dipole moment coagulate into droplets, releasing their kinetic energy to the particles AB remaining in the gas phase.
  • Fog is formed under pressure and volume of the remaining amount of residual gas AB.
  • the relative humidity of the gas phase AB with respect to substance A increases to 100%.
  • the latent heat of condensation of the amount of substance A condensed as mist remains in the residual gas amount AB.
  • G4-G1 Decrease in volume due to liquid withdrawal: The mist is removed from the residual gas volume of the working medium AB via a phase separation in the conservative force field (preferably a centrifugal field) and returned to the steam cycle process as a liquid.
  • the points G4 and Gl are actually very close together, so that the outline of the gas cycle process in the pV diagram results in almost a triangle.
  • the area surrounded by the Dl-2-3-4-5-6-1 line corresponds to the maximum work that can be generated in the steam cycle process.
  • the the area surrounded by the line Gl-2-3-4-1 corresponds to the maximum work that can be generated in the gas cycle process.
  • the waste heat from the steam cycle process is transferred from the point D5 to point G2 as input heat to the gas cycle process with the exhaust gas from the steam cycle process working medium A, and the waste heat from the gas cycle process is transferred with the condensed liquid from point G4 to point D1 as input heat into the steam cycle process. Both cycle processes produce work and waste heat from the heat supplied.
  • the combination of the two cycle processes in a heat engine means that it does not give off any waste heat to the environment.
  • FIG. 4 shows the energy flows in the heat engine according to the invention between the steam cycle process and the gas cycle process.
  • the machine contains two cyclic processes, each of which generates shaft work (W D and W G ) and waste heat (Q D and Q G ) from the heat supplied.
  • the heat Q ⁇ xc ⁇ r ⁇ the steam cycle process . plus Q G , and the heat Q D is supplied to the gas cycle process. Because the two cycle processes mutually reuse their respective waste heat flow as supplied heat, the machine can completely heat the flow Q ⁇ supplied from outside in wave work W axter -. convert (less any radiated heat).
  • FIG. 5 shows the Maxwell's velocity distribution of the gaseous mixture of the two working media A and B, where N (u) in each case indicates the number of molecules which have a specific velocity u.
  • N (u) in each case indicates the number of molecules which have a specific velocity u.
  • a mixture of working media A and B with a reduced concentration of working medium A remains in the gaseous state (top right diagram in FIG. 5).
  • the working medium A forms droplets and can be removed from the gas phase, for example with the aid of a centrifuge (lower right diagram in FIG. 5).
  • a mass transfer takes place only between the two cycle processes within the machine and not with the environment.
  • the machine can be constructed as a closed system, the system limit of which is only for thermal energy and wave work is permeable. Since the machine does not have to return waste heat to the environment, it can use low-temperature thermal energy as a heat source. This requires that the steam cycle process have a phase transition temperature below the temperature of the low-temperature heat source. Otherwise, the low temperature heat cannot be used to evaporate the steam cycle working medium. Since the radiation losses are low when the thermal energy is supplied at a low temperature, the efficiency of the machine is even better when using low-temperature heat than when using high-temperature heat.
  • the heat engine according to the invention can be designed as a piston machine (motor) or as a turbo machine (turbine). Since a centrifugal field is advantageous for phase separation of the mist, a turbomachine is preferably used, since such a centrifugal field can easily be generated in the rotating parts of a turbine.
  • FIG. 6 shows an extensive system which is suitable for a steam cycle process with overheating
  • FIG. 7 shows a compact system which, as a minimal configuration, only contains the absolutely necessary system elements.
  • Heat engine at least the functional components: pump, evaporator, steam turbine, mixing chamber, gas turbine, condenser,
  • the steam cycle contains the building blocks: pump, evaporator, steam turbine and condenser.
  • the gas cycle process contains the building blocks: gas turbine and compressor.
  • the mass transfer between the two cycle processes takes place by means of a mixing chamber and a centrifuge.
  • the shaft work consumers are the compressor, pump and centrifuge, which are driven by the gas and / or steam turbine.
  • the steam and / or gas turbine deliver wave work to an external consumer.
  • Liquid working medium A is fed to the evaporator via the pump, evaporated at high pressure with the addition of heat and expanded in the steam turbine with the emission of wave work.
  • the exhaust gas from the steam turbine is mixed in the mixing chamber with the working gas AB compressed by the compressor in the gas cycle process and expanded via the gas turbine, releasing wave work.
  • mist is created in the condenser. The mist is removed from the gas phase of the gas cycle process in the centrifuge and fed back into the vapor cycle process as a liquid via the pump.
  • the steam and gas turbine function blocks and the mixing chamber in the turbine module and the condenser and centrifuge function blocks are combined in the condensation centrifuge module.
  • the gas streams of both cycle processes are brought together directly in a turbine, the exhaust gas of which is separated into the two phases in the condensation centrifuge.
  • the pump and compressor return the respective fluids back into the circuit.
  • Such a unit can be built very compact.
  • the heat engine according to the invention can be used both in the high-temperature range and in the low-temperature range, provided that the phase transition temperature of the steam cycle is below the temperature of the heat source. Since the heat engine does not require a mass transfer with the system environment, it is completely environmentally neutral. in the Materials that cannot be used in the high temperature range due to a lack of heat resistance can be used in the low temperature range.

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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

The invention relates to a method and a heat engine for converting heat energy (Qextern) into mechanical energy (Wextern). The heat engine has a first thermodynamic cycle (steam cycle) and a second thermodynamic cycle (gas cycle). The heat lost (QD) in the first cycle is fed to the second cycle and the heat lost (QG) in the second cycle is fed to the first cycle.

Description

ärmekraftmaschine mit verbessertem Wirkungsgrad thermal engine with improved efficiency
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umsetzung von Wärmeenergie in mechanische Energie in einer Wärmekraftmaschine bei dem der thermische Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine gesteigert wird, ohne daß die obere und/oder die untere Kreisprozeß- Temperatur verändert werden muß. Außerdem betrifft die Erfindung eine Wärmekraftmaschine zur Durchführung dieses Verfahrens.The invention relates to a method for converting thermal energy into mechanical energy in a heat engine in which the thermal efficiency of the heat engine is increased without the upper and / or the lower cycle temperature having to be changed. The invention also relates to a heat engine for performing this method.
Wärmekraftmaschinen sind Energiewandler- die zugeführte Wärmeenergie über einen thermodynamischen Kreisprozeß in Wellen- arbeit (= kinetische Energie) umwandeln. Hierzu wird einem Arbeitsmedium innerhalb der Maschine auf hohem Temperaturniveau Wärmeenergie zugeführt und nach Durchlaufen des Kreisprozesses zu einem Teil auf niedrigem Temperaturniveau wieder entzogen. Die Differenz zwischen zugeführter und abgeführter Menge an Wärmeenergie entspricht im Idealfall der von der Maschine abgegebenen Wellenarbeit.Heat engines are energy converters - convert the supplied heat energy into wave work (= kinetic energy) via a thermodynamic cycle. For this purpose, heat energy is supplied to a working medium inside the machine at a high temperature level and, after having gone through the cycle, some of it is removed again at a low temperature level. The difference between the supplied and the removed amount of thermal energy ideally corresponds to the shaft work emitted by the machine.
Der thermische Wirkungsgrad des Kreisprozesses einer solchen Maschine ist das Verhältnis zwischen erzielter Wellenarbeit und eingesetzter thermischer Primärenergie. Er wächst mit der Höhe der Differenz zwischen der oberen und der unteren Prozeßtemperatur und kann maximal den Wert einer idealen Carnot-Maschine erreichen. Der maximal erreichbare thermische Wirkungsgrad des Kreisprozesses ergibt sich aus dem Satz von Carnot:The thermal efficiency of the cycle of such a machine is the ratio between the shaft work achieved and the thermal primary energy used. It grows with the height of the difference between the upper and the lower process temperature and can at most reach the value of an ideal Carnot machine. The maximum achievable thermal efficiency of the cycle results from Carnot's theorem:
η = (T„ " Tu) / T0 η = (T "" T u ) / T 0
wobei η der maximale thermische Wirkungsgrad des Kreisprozesses, T0 die obere Prozeßtemperatur und Tu die untere Prozeßtemperatur ist. Um pro eingesetzter Einheit an thermischer Primärenergie eine möglichst hohe Ausbeute an Wellenarbeit bzw. kinetischer Energie zu erzielen, muß eine Wärmekraftmaschine über einen möglichst hohen thermischen Wirkungsgrad verfügen. Dieses Ziel läßt sich durch eine Steigerung des Wirkungsgrades des Kreisprozesses erreichen. Hierzu ist nach dem Satz von Carnot entweder die Senkung der unteren Prozeßtemperatur und/oder die Steigerung der oberen Prozeßtemperatur erforderlich. Der Steigerung der oberen Prozeßtemperatur sind aufgrund der Temperaturfestigkeit der bei einer Wärmekraftmaschine verwendeten Werkstoffe Grenzen gesetzt. Auch der Absenkung der unteren Prozeßtemperatur sind Grenzen gesetzt, da die Abwärme bei herkömmlichen Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine in die Umgebung abgeführt wird und somit die natürliche Grenze zur Senkung der unteren Prozeßtemperatur durch die Umgebungstemperatur der Wärmekraftmaschine vorgegeben ist (zweiter Hauptsatz der Thermodynamik). Zur Absenkung der unteren Prozeßtemperatur bis nahe an die Umgebungstemperatur wird zum Beispiel eine Frischwasserkühlung verwendet, die aber wegen der schon bestehenden Wärmebelastung von Flüssen und Seen aus Gründen des Umweltschutzes nicht bevorzugt ist. Alternativ erfolgt daher die Wärmeabfuhr über Naß- und Trockenkühltürme an die Luft.where η is the maximum thermal efficiency of the cycle, T 0 is the upper process temperature and T u is the lower process temperature. In order to achieve the highest possible yield of shaft work or kinetic energy per unit of thermal primary energy used, a heat engine must have the highest possible thermal efficiency. This goal can be achieved by increasing the efficiency of the cycle. For this, according to Carnot's theorem, either lowering the lower process temperature and / or increasing the upper process temperature is required. The increase in the upper process temperature is limited due to the temperature resistance of the materials used in a heat engine. There are also limits to the lowering of the lower process temperature, since the waste heat is dissipated into the environment in conventional methods for operating a heat engine, and the natural limit for lowering the lower process temperature is therefore determined by the ambient temperature of the heat engine (second law of thermodynamics). Fresh water cooling, for example, is used to lower the lower process temperature to close to the ambient temperature, but this is not preferred due to the environmental impact of rivers and lakes due to environmental reasons. Alternatively, the heat is therefore dissipated to the air via wet and dry cooling towers.
Zur Steigerung des Wirkungsgrades einer Wärmekraftmaschine ist außerdem bekannt, durch Vorwärmung des Speisewassers mit Anzapfdampf aus der Turbine die Prozeßabwärme zu verringern und die mittlere Temperatur der Wärmezufuhr anzuheben. Die obere Grenze dieses Verfahrens ist dadurch gegeben, daß bei einer zu hohen Vorwärmtemperatur des Speisewassers die Kessel-Abgas- Temperatur trotz Luftvorwärmung nicht mehr auf ihrem Tiefstwert gehalten werden kann. Außerdem ist diese Form der Abwärmerückführung nachteilig, da das Speisewasser maximal auf die Temperatur der Abwärme vorgewärmt werden kann.To increase the efficiency of a heat engine it is also known to preheat the feed water with bleed steam from the turbine to reduce the process waste heat and to raise the mean temperature of the heat supply. The upper limit of this method is that if the preheating temperature of the feed water is too high, the boiler exhaust gas temperature can no longer be kept at its lowest value despite air preheating. In addition, this form of waste heat recirculation is disadvantageous, since the feed water can be preheated to a maximum of the temperature of the waste heat.
Auch mit Hilfe moderner Großrechenanlagen ist die Optimierung von Variablen der Kreisprozesse von Wärmekraftmaschinen möglich, wie zum Beispiel bei Kraftwerken die Frischdampf- und Zwischen- überhitzungszustände, Anzahl, Gütegrad und Anzapfdrücke der Vorwärmer, Größe und Ausführung des Kondensators, Auslegung des Kühlturms , etc . Jedoch ist eine Steigerung des Wirkungsgrades auch mit Hilfe dieser Maßnahmen nur begrenzt möglich.With the help of modern large computer systems, the optimization of variables of the cycle processes of heat engines is possible, such as the steam and intermediate overheating conditions in power plants, the number, grade and tapping pressures of the preheaters, size and design of the condenser, design of the cooling tower, etc. However, an increase in efficiency is only possible to a limited extent with the help of these measures.
Eine weitere Methode zur Steigerung des Wirkungsgrades von Wärmekraftmaschinen besteht schließlich in der Minderung der Exergieverluste bei Aufnahme und Abgabe von Wärmeenergie, indem das zur Verfügung stehende Temperaturgefälle zwischen aufgenommener und abgegebener Wärme in einer Kette von Kreisprozessen möglichst vollständig genutzt wird. Hierzu werden zwei oder mehr Maschinen seriell geschaltet, wobei die Abwärme eines vorgeschalteten Kreisprozesses als Heizwärme eines nachfolgenden Kreisprozesses verwendet wird. Dieses Verfahren findet zum Beispiel Anwendung in modernen Kombikraftwerken (GuD-Kraftwerk) , in denen die hohe Temperatur eines Verbrennungsprozesses zunächst in einer Gasturbine genutzt wird, wobei deren Abgas dann zusätzlich zur Heizung einer Dampfkraftanlage verwendet wird. Auf diese Weise wird der Exergieverlust der Dampferzeugung verringert und das zwischen Verbrennungs- und Umgebungstemperatur befindliche Temperaturgefälle in mehreren Stufen genutzt.Another method for increasing the efficiency of heat engines is to reduce the exergy losses when absorbing and dissipating thermal energy by making the most of the available temperature difference between absorbed and emitted heat in a chain of cycle processes. For this purpose, two or more machines are connected in series, the waste heat from an upstream cycle process being used as heat from a subsequent cycle process. This process is used, for example, in modern combined cycle power plants (combined cycle power plants), in which the high temperature of a combustion process is first used in a gas turbine, the exhaust gas of which is then also used to heat a steam power plant. In this way, the exergy loss in steam generation is reduced and the temperature gradient between the combustion and ambient temperature is used in several stages.
Das Verfahren der seriellen Kopplung von Kreisprozessen ist Gegenstand der Patentschriften US 5,437,157 und US 4,428,190 mit jeweils zwei seriellen Kreisprozessen, sowie der AT 327,229 mit insgesamt drei seriellen Kreisprozessen.The method of serial coupling of circular processes is the subject of the patents US 5,437,157 and US 4,428,190, each with two serial circular processes, and AT 327,229 with a total of three serial circular processes.
In der US 5,437,157 wird die Kondensationswärme eines herkömmlichen Dampfkraftwerkes (Arbeitsmedium Wasser) zur Ver- dampfung eines organischen Arbeitsmediums verwendet, welches in einem zweiten Dampfkreisprozeß Nutzarbeit erzeugt. Die Abwärme des zweiten Kreisprozesses wird anschließend an die Umgebung abgegeben. Ein ähnliches Prinzip wird in US 4,428,190 verwendet, wobei die Kopplung von zwei Dampfkreisprozessen (Wasser und organisches Arbeitsmedium) über einen dazwischen geschalteten Wärmespeicher erfolgt, der die Lastverteilung eines Kraftwerks im Tagesverlauf verbessern soll. In AT 327,229 wird die Kopplung eines Kalium- und eines Wasserdampfkreisprozesses mit Hilfe eines dritten Kreisprozesses auf der Basis eines organischen Arbeitsmediums beschrieben, welcher die Abwärme des Kalium- prozesses als Heizwärme an den Wasserprozeß überträgt. In allen beschriebenen Fällen sind die jeweiligen Kreisprozesse stofflich voneinander getrennt indem die Übertragung der Wärme von einem Prozeß zum anderen durch die Wand eines Wärmetauschers erfolgt.In US 5,437,157 the heat of condensation of a conventional steam power plant (working medium water) is used for the evaporation of an organic working medium which generates useful work in a second steam cycle process. The waste heat from the second cycle is then released into the environment. A similar principle is used in US 4,428,190, wherein the coupling of two steam cycle processes (water and organic working medium) takes place via an intermediate heat store, which distributes the load of a power plant should improve throughout the day. AT 327,229 describes the coupling of a potassium and a water vapor cycle using a third cycle based on an organic working medium, which transfers the waste heat from the potassium process as heat to the water process. In all cases described, the respective cycle processes are physically separated from one another by the heat being transferred from one process to the other through the wall of a heat exchanger.
Nachteilig bei der seriellen Kopplung von Kreisprozessen ist der zusätzliche apparative Aufwand von Wärmeübertragung und Energieumwandlung je Kreisprozeß. Weiterhin nehmen die Exergie- verluste der Energieumwandlung mit der Anzahl seriell gekoppelter Kreisprozesse zu, da die Wärmeübertragung mittels Wärmetau- scher nur bei Aufrechterhaltung einer endlichen Temperaturdifferenz möglich ist. Nachteilig ist ebenfalls, daß die Abwärme des letzten Kreisprozesses in der seriellen Kette nach wie vor an die Umgebung abgeführt werden muß.A disadvantage of the serial coupling of circular processes is the additional outlay in terms of equipment for heat transfer and energy conversion per circular process. Furthermore, the exergy losses of the energy conversion increase with the number of serially coupled cycle processes, since the heat transfer by means of a heat exchanger is only possible if a finite temperature difference is maintained. Another disadvantage is that the waste heat from the last cycle in the serial chain still has to be dissipated to the environment.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, bei dem der thermische Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine gesteigert werden kann, ohne daß die oberen und/oder die untere Prozeßtemperatur des thermischen Kreisprozesses verändert werden muß. Es ist darüber hinaus Aufgabe der Erfindung, eine Wärmekraftmaschine zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen.The present invention is therefore based on the object of providing a method in which the thermal efficiency of a heat engine can be increased without having to change the upper and / or the lower process temperature of the thermal cycle. It is also an object of the invention to provide a heat engine for performing this method.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Wärmekraftmaschine mit den Merk- malen des Anspruchs 14 gelöst. In den zugehörigen abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine angegeben.These objects are achieved by a method with the features of claim 1 and by a heat engine with the features of claim 14. Advantageous and preferred developments of the method according to the invention or the heat engine according to the invention are specified in the associated dependent claims.
Zum Verständnis der Erfindung ist die Erkenntnis wesentlich, daß der thermische Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine nicht mit dem thermischen Wirkungsgrad des darin ablaufenden Kreisprozesses identisch ist.In order to understand the invention, it is essential to recognize that the thermal efficiency of a heat engine is not is identical to the thermal efficiency of the cycle running in it.
Der thermische Wirkungsgrad des Kreisprozesses ist definiert durch das Verhältnis von abgegebener Arbeit zu eingesetzer Wärmeenergie, und zwar pro Zyklus des Kreisprozesses. Der thermische Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine ist hingegen definiert durch das Verhältnis von abgegebener Arbeit zu eingesetzter Wärmeenergie, und zwar über alle Zyklen des Kreisprozesses summiert.The thermal efficiency of the cycle is defined by the ratio of work done to the thermal energy used, per cycle of the cycle. The thermal efficiency of a heat engine, on the other hand, is defined by the ratio of work done to the thermal energy used, and is summed up over all cycles of the cycle.
Beide Wirkungsgrade sind dann und nur dann gleich, wenn die Abwärme des Kreisprozesses die Maschine verläßt und über deren Systemgrenze hinweg ihrer Umgebung zugeführt wird. Bei herkömm- liehen Wärmekraftmaschinen wird die dem Kreisprozeß entzogene Wärme niedriger Temperatur nach Abschluß eines jeweiligen Zyklus an die Umgebung abgeführt . Damit entspricht der Wirkungsgrad einer herkömmlichen Wärmekraftmaschine maximal dem Wirkungsgrad ihres thermodynamischen Kreisprozesses.Both efficiencies are the same if and only if the waste heat from the cycle leaves the machine and is fed into the environment beyond its system boundary. In conventional heat engines, the low-temperature heat extracted from the cycle is dissipated to the environment after the completion of a respective cycle. The efficiency of a conventional heat engine thus corresponds at most to the efficiency of its thermodynamic cycle.
Der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine ist dann größer als der Wirkungsgrad ihres zugehörigen Kreisprozesses, wenn die Abwärme ihres Kreisprozesses innerhalb der Maschine ganz oder teilweise erneut als Primärenergie eingesetzt werden kann (Abwärmerecycling) . In diesem Fall braucht die in der Abwärme des Kreisprozesses enthaltene Energie nicht oder nur zum Teil durch neue Primärenergie ersetzt zu werden und der kumulierte Wirkungsgrad der Maschine steigt mit der Anzahl der durchlaufenen Kreisprozeß-Zyklen.The efficiency of a heat engine is greater than the efficiency of its associated cycle if the waste heat from its cycle can be used in whole or in part as primary energy within the machine (waste heat recycling). In this case, the energy contained in the waste heat of the cycle does not need to be replaced or only partially replaced by new primary energy, and the cumulative efficiency of the machine increases with the number of cycles completed.
Dieser Vorgang ist in Figur 1 veranschaulicht. In Figur 1 sind die Verläufe von Wirkungsgraden einer Wärmekraftmaschine dargestellt, in der ein hypothetischer Kreisprozeß mit einem thermischen Wirkungsgrad von 35% läuft. Diesem Kreisprozeß wird über mehrere Zyklen zu 0%, 20%, 40%, 60%, 80% bzw. 100% die abgeführte Abwärme wieder zugeführt (Abwärmerecycling) . Ohne die Rückführung der Abwärme (Kurve bei 0%) ist der Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine gleich dem Wirkungsgrad des Kreisprozesses. Mit der Abwärmerückführung steigt der Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine über die Anzahl der Kreisprozeß-Zyklen und nähert sich asymptotisch dem theoretischen Maximum.This process is illustrated in Figure 1. In Figure 1, the curves of efficiencies of a heat engine are shown, in which a hypothetical cycle with a thermal efficiency of 35% runs. The waste heat dissipated is returned to this cycle process over several cycles at 0%, 20%, 40%, 60%, 80% and 100% (waste heat recycling). Without that Returning the waste heat (curve at 0%) is the efficiency of the heat engine equal to the efficiency of the cycle. With the return of waste heat, the efficiency of the heat engine increases over the number of cycle cycles and approaches the theoretical maximum asymptotically.
Figur 2 zeigt den gleichen Vorgang für einen Kreisprozeß mit einem sehr schlechten Wirkungsgrad von nur 5%. Selbst für einen derart schlechten Prσzeßwirkungsgrad kann der Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine über die Anzahl mehrerer Zyklen sehr weit angehoben werden. Bei einer ausreichend effizienten Abwärmerückführung kann eine solche Wärmekraftmaschine bei Nutzung von Niedertemperaturwärme wirtschaftlich betrieben werden.Figure 2 shows the same process for a cyclic process with a very poor efficiency of only 5%. Even for such a poor process efficiency, the efficiency of the heat engine can be increased very widely over the number of cycles. With sufficiently efficient waste heat recirculation, such a heat engine can be operated economically when using low-temperature heat.
Herkömmliche Wärmekraftmaschinen nach dem Stand der Technik verwenden nur einen einzigen internen Kreisprozeß. Sie verfügen entweder über einen Dampfkreisprozeß mit einem Phasenübergang des Arbeitsmediums (Dampfturbine, Dampfmaschine) oder über einen Gaskreisprozeß ohne einen Phasenübergang des Arbeitsmediums (Gasturbine, Otto-, Diesel-, Wankel-, Stirling-, Stelzermotor).Conventional prior art heat engines use only a single internal cycle. They either have a steam cycle process with a phase transition of the working medium (steam turbine, steam engine) or a gas cycle process without a phase transition of the working medium (gas turbine, Otto, Diesel, Wankel, Stirling, Stelzermotor).
Bei herkömmlichen Wärmekraftmaschinen ist die Abwärmerückführung dadurch begrenzt, daß die Abwärmetemperatur bedeutend geringer ist als die erforderliche Temperatur der dem Kreis- prozeß zuzuführenden Wärme. Daher kann nur ein geringer Teil der in der Abwärme enthaltenen Energie dem Kreisprozeß wieder zugeführt werden. Das Anheben des Temperaturniveaus der Abwärme auf die obere Prozeßtemperatur würde bei herkömmlichen Maschinen eine Wärmepumpe erfordern, damit die Energie der Abwärme dem Kreisprozeß erneut zugeführt werden könnte. Diese Wärmepumpe würde aber einen Teil der von der ersten Maschine erzeugten Wellenarbeit verbrauchen. Im Ergebnis ist die Abwärmerückführung für herkömmliche Wärmekraftmaschinen nach dem Stand der Technik wirtschaftlich nur in Grenzen möglich. Das erfindungsgemäße Verfahren steigert nun den kumulativen thermischen Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen durch interne Abwärmerückführung ohne Verbrauch von Wellenarbeit für einen herkömmlichen Wärmepumpenprozeß.In conventional heat engines, the waste heat recirculation is limited in that the waste heat temperature is significantly lower than the required temperature of the heat to be supplied to the cycle. Therefore, only a small part of the energy contained in the waste heat can be returned to the cycle. Raising the temperature level of the waste heat to the upper process temperature would require a heat pump in conventional machines so that the energy of the waste heat could be returned to the cycle. This heat pump would consume part of the shaft work generated by the first machine. As a result, the waste heat return for conventional heat engines according to the state of the art is only economically possible to a limited extent. The method according to the invention now increases the cumulative thermal efficiency of heat engines by internal waste heat recirculation without consuming shaft work for a conventional heat pump process.
Herkömmliche Maschinen verfügen entweder über einen einzigen Dampfkreisprozeß oder einen einzigen Gaskreisprozeß bzw. deren serielle Kopplung (Gas-/Dampfturbine, Verbrennungsmotor, GuD- Kraftwerk) . Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine verfügt über je einen Dampf- und einen Gaskreisprozeß innerhalb einer Wärmekraftmaschine, also über zwei simultan ablaufende Kreisprozesse, die stofflich in der Gasphase miteinander 'verschränkt' bzw. überlagert sind.Conventional machines have either a single steam cycle process or a single gas cycle process or their serial coupling (gas / steam turbine, internal combustion engine, combined cycle power plant). The heat engine according to the invention has one steam and one gas cycle process within a heat engine, that is, two simultaneous cycle processes which are 'entangled' or superimposed on one another in the gas phase.
Der Dampfkreisprozeß dient der Erzeugung von Wellenarbeit. Der Dampfkreisprozeß bezieht seine Heizwärme aus einer äußeren Wärmequelle, wobei die Abwärme des Dampfkreisprozesses die Heizwärme für den gekoppelten Gaskreisprozeß ist. Das Arbeitsmedium A im Dampfkreisprozeß ist ein Stoff oder Stoffgemisch, dessen Komponenten ein deutlich höheres molekulares Dipolmoment besitzen als eine Komponente B des Arbeitsmediums AB in dem Gaskreisprozeß, die sich im wesentlichen permanent in einem gasförmigen Zustand befindet. Im Dampfkreisprozeß durchläuft das Arbeitsmedium A einen zyklischen Phasenwechsel zwischen Flüssig- keit und Gas, und zwar weitgehend wie in einer herkömmlichen Dampfmaschine bzw. Dampfturbine.The steam cycle process is used to generate wave work. The steam cycle process draws its heat from an external heat source, the waste heat from the steam cycle being the heat for the coupled gas cycle process. The working medium A in the steam cycle process is a substance or mixture of substances whose components have a significantly higher molecular dipole moment than a component B of the working medium AB in the gas cycle process, which is essentially permanently in a gaseous state. In the steam cycle process, working medium A undergoes a cyclical phase change between liquid and gas, and to a large extent like in a conventional steam engine or steam turbine.
Der Gaskreisprozeß dient der Abwärmerückführung innerhalb der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine. Hierzu wird die in dem entspannten Arbeitsmedium A enthaltene Abwärme des Dampfkreisprozesses stofflich dem Gaskreisprozeß als Heizwärme zur Erzeugung von Wellenarbeit zugeführt. Der Gaskreisprozeß wandelt einen Teil der Abwärme des Dampfkreisprozesses ebenfalls in Wellenarbeit um. Sein Arbeitsmedium AB (= Arbeitsmedium im Gaskreisprozeß) ist ein Gemisch aus einem gasförmigen Teil des Arbeitsmediums A des Dampfkreisprozesses und einer stets gas- förmigen Komponente B des Arbeitsmediums im Gaskreisprozeß. Die Komponente B ist ein Stoff oder ein Stoffgemisch dessen Bestandteile ein deutlich niedrigeres molekulares Dipolmoment besitzen als die Stoffbestandteile des Arbeitsmediums A aus dem Dampf- kreisprozeß. Im Gaskreisprozeß wird dem Arbeitsmedium AB regelmäßig eine gasförmige Menge des Arbeitsmediums A aus dem Dampf- kreisprozeß zugeführt und in flüssiger Form wieder entzogen. Dadurch verändert sich der prozentuale Mengenanteil von A innerhalb von AB über einen geschlossenen Zyklus des Gaskreis- prozesses periodisch.The gas cycle process serves to recycle waste heat within the heat engine according to the invention. For this purpose, the waste heat contained in the relaxed working medium A of the steam cycle process is materially supplied to the gas cycle process as heat for generating wave work. The gas cycle process also converts part of the waste heat from the steam cycle into wave work. Its working medium AB (= working medium in the gas cycle process) is a mixture of a gaseous part of the working medium A of the steam cycle and an always gaseous shaped component B of the working medium in the gas cycle process. Component B is a substance or a mixture of substances whose constituents have a significantly lower molecular dipole moment than the constituents of working medium A from the steam cycle process. In the gas cycle process, the working medium AB is regularly supplied with a gaseous amount of the working medium A from the steam cycle process and withdrawn again in liquid form. As a result, the percentage of A within AB changes periodically over a closed cycle of the gas cycle process.
Die stoffliche Verschränkung beider Kreisprozesse in der Gasphase dient dem unmittelbaren Austausch von Wärmeenergie zwischen den Stoffen bzw. Stoffgemischen A und AB der beiden Kreisprozesse und der Kondensation des Arbeitsmediums A. Der Austausch von Wärmeenergie erfolgt unter Ausnutzung der Brown' sehen Molekularbewegung durch elastische Stöße zwischen Gasmolekülen der Stoffe beider Arbeitsmedien (Stoßzahl in der Größenordnung von 10 pro Sekunde). Auf mikroskopischer Ebene unterliegt die kinetische Energie der Moleküle (die äquivalent zur Temperatur ist) einer statistischen Wahrscheinlichkeitsverteilung gemäß Maxwell' scher Theorie. Zur Erläuterung sei angemerkt, daß die Atome bzw. Moleküle eines Gases oder in einer Flüssigkeit sich pausenlos bewegen und dauernd miteinander zusammenstoßen. Durch die Stoßprozesse ändern sie ständig ihre Bewegungsrichtung, ihre Energie und somit auch ihre Geschwindigkeit. Die Geschwindigkeit in einem Gas oder in einer Flüssigkeit ist also nicht bei allen Atomen bzw. Molekülen gleich, sondern folgt der Maxwell ' sehen Geschwindigkeitsverteilung. Auf moleku- larer Ebene sind Temperatur und kinetische Energie über die Boltzmann-Konstante gekoppelt, wobei die mittlere kinetische Energie eines Teilchen unter Vernachlässigung von Rotations- und Schwingungsenergie E = 3kT/2 ist. Demzufolge gibt es in der Gasphase nicht nur eine Temperatur, sondern ein Spektrum von Temperaturen, die zur statistischen Verteilung der Molekülgeschwindigkeiten äquivalent ist. Die chaotische Bewegung der Moleküle aus den Stoffgruppen A und B in der Gasphase produziert elastische Stöße zwischen Molekülen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Dipolmomenten. Stöße zwischen langsamen (= kalten) Molekülen der Stoffgruppe des Arbeitsmediums A mit hohem molekularen Dipolmoment führen aufgrund des Einflusses der zwischenmolekularen Kräfte zu einer Koagulation der Stoßpartner und damit zur Bildung von größeren Molekülverbänden und schließlich von Tröpfchen. Stöße zwischen den Molekülverbänden und den schnellen Einzelmolekülen der Stoffgruppen A und B führen zu einer Nettoübertragung von kinetischer Energie (= Wärme) von den schwereren Tröpfchen an die leichteren Stoßpartner. Damit wird die Gasphase AB des Gaskreisprozesses in schnelle (= heiße) und langsame (= kalte) Mengenanteile getrennt.The material entanglement of both cycle processes in the gas phase serves the direct exchange of heat energy between the substances or substance mixtures A and AB of the two cycle processes and the condensation of the working medium A. The exchange of heat energy takes place using Brown's see molecular movement through elastic collisions between gas molecules the substances of both working media (number of impacts on the order of 10 per second). At the microscopic level, the kinetic energy of the molecules (which is equivalent to temperature) is subject to a statistical probability distribution according to Maxwell's theory. As an explanation, it should be noted that the atoms or molecules of a gas or in a liquid move continuously and constantly collide with one another. Due to the impact processes, they constantly change their direction of movement, their energy and thus also their speed. The velocity in a gas or in a liquid is therefore not the same for all atoms or molecules, but follows Maxwell's velocity distribution. At the molecular level, temperature and kinetic energy are coupled via the Boltzmann constant, whereby the mean kinetic energy of a particle, neglecting rotational and vibrational energy, is E = 3 kT / 2. As a result, there is not just one temperature in the gas phase, but a range of temperatures that is equivalent to the statistical distribution of molecular velocities. The chaotic movement of the Molecules from material groups A and B in the gas phase produce elastic collisions between molecules with different velocities and dipole moments. Collisions between slow (= cold) molecules of the material group of working medium A with a high molecular dipole moment lead to a coagulation of the collision partners due to the influence of the intermolecular forces and thus to the formation of larger molecular groups and ultimately droplets. Collisions between the molecular assemblies and the fast single molecules of substance groups A and B lead to a net transfer of kinetic energy (= heat) from the heavier droplets to the lighter collision partners. This separates the gas phase AB of the gas cycle process into fast (= hot) and slow (= cold) proportions.
Makroskopisch gesehen erfolgt ein Phasenübergang des Arbeitsmediums A durch eine spontane Nebelbildung aus dem Stoffgemisch AB im Gaskreisprozeß der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine. Die Tropfen dieses Nebels können anschließend über eine Phasentrennung mittels konservativer Kraftfelder (beispielsweise Gravitation oder Zentrifugalfeld) aus der Gasphase des Gaskreisprozesses entfernt und über eine Speisewasserpumpe wieder dem Dampfkreisprozeß zugeführt werden. Damit wird dem Gaskreisprozeß ein Strom des Arbeitsmediums A in gasförmiger Phase zugeführt und in flüssiger Phase wieder entzogen. Die dem Gaskreisprozeß zugeführte Wärme ist die in dem zugeführten gasförmigen Mengenanteil A enthaltene latente Wärme, die der Kondensationswärme entspricht. Der Wärmeübergang vom Dampfkreisprozeß zum Gaskreisprozeß erfolgt durch Kondensation des Arbeitsmediums A in dem Gaskreisprozeß. Die Abwärme des Gaskreisprozesses ist die mit der flüssigen Phase des Arbeitsmediums A abgeführte Wärme. Die Differenz zwischen zugeführter und abgeführter Wärme ist die Kondensationswärme des StoffStroms der zwischen Dampfkreisprozeß und Gaskreisprozeß ausgetauschten Menge des Arbeitsmediums A. Sie entspricht der im Gaskreisprozeß maximal erzeugbaren Wellen- arbeit. Damit kann die Kondensationswärme des Dampfkreis- prozesses der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine im Gaskreis- prozeß (abzüglich der gegebenenfalls abgestrahlten Wärme) vollständig in Wellenarbeit umgewandelt werden. Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine hat also mit Ausnahme der abgestrahlten Wärme keine weitere Abwärme. Damit wird der Wirkungsgrad einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine gegenüber herkömmlichen Wärmekraftmaschinen selbst bei einem schlechtem Wirkungsgrad des Dampfkreisprozesses über die Anzahl der Kreisprozeßzyklen gesteigert. Daraus folgt, daß die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine auch als Energiewandler für die Nutzung von Niedrig- temperaturwärme geeignet ist.Macroscopically, a phase transition of the working medium A occurs due to a spontaneous formation of fog from the mixture AB in the gas cycle process of the heat engine according to the invention. The drops of this mist can then be removed from the gas phase of the gas cycle process by means of a phase separation using conservative force fields (for example gravity or centrifugal field) and fed back to the steam cycle process via a feed water pump. A stream of working medium A in the gaseous phase is thus supplied to the gas cycle process and withdrawn again in the liquid phase. The heat supplied to the gas cycle process is the latent heat contained in the supplied gaseous fraction A, which corresponds to the heat of condensation. The heat transfer from the steam cycle process to the gas cycle process takes place through condensation of the working medium A in the gas cycle process. The waste heat from the gas cycle process is the heat dissipated with the liquid phase of working medium A. The difference between supplied and removed heat is the heat of condensation of the material flow of the quantity of working medium A exchanged between the steam cycle process and the gas cycle process. It corresponds to the maximum wave work that can be generated in the gas cycle process. The heat of condensation of the steam cycle process of the heat engine according to the invention can thus be process (minus any radiated heat) can be completely converted into wave work. With the exception of the radiated heat, the heat engine according to the invention therefore has no further waste heat. The efficiency of a heat engine according to the invention is thus increased over the number of cycle cycles, even if the steam cycle efficiency is poor. It follows that the heat engine according to the invention is also suitable as an energy converter for the use of low-temperature heat.
Für den Betrieb der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine im Niedrigtemperaturbereich sind beispielsweise folgende Stoffkombinationen möglich:The following material combinations are possible, for example, for operating the heat engine according to the invention in the low temperature range:
TemperaturfensterTemperature window
Dampfkreislauf (AI Gaskreislauf (B) für die VerdampfungSteam circuit (AI gas circuit (B) for evaporation
Wasser Luft 70 . . . 300 °C Kohlendioxid Luft, Stickstoff -70 . . 20 °CWater air 70. . . 300 ° C carbon dioxide air, nitrogen -70. . 20 ° C
Ammoniak Luft, Stickstoff -40 . . 70 °CAmmonia air, nitrogen -40. . 70 ° C
Kältemischung Luft, Stickstoff -50 . . 0 °CCold mixture air, nitrogen -50. . 0 ° C
Stickstoff Wasserstoff -200 . . . -150 °CNitrogen hydrogen -200. . . -150 ° C
Stickstoff Edelgas -200 . . . -150 °CNitrogen noble gas -200. . . -150 ° C
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine zur Durchführung dieses Verfahrens sind nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben; es zeigen:The method according to the invention and the heat engine according to the invention for performing this method are described below with reference to the accompanying drawings; show it:
Figur 1 den über 20 Zyklen kumulierten Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine mit einem Anfangswirkungsgrad von 35%;1 shows the cumulative efficiency of a heat engine with an initial efficiency of 35% over 20 cycles;
Figur 2 den über 200 Zyklen kumulierten Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine mit einemAnfangswirkungsgrad von 5% ; Figur 3 das pV-Diagramm eines Dampfkreisprozesses , der erfindungsgemäß mit einem Gaskreisprozeß gekoppelt ist;Figure 2 shows the efficiency of a heat engine accumulated over 200 cycles with an initial efficiency of 5%; FIG. 3 shows the pV diagram of a steam cycle process which is coupled with a gas cycle process according to the invention;
Figur 4 eine Darstellung der Energieflüsse zwischen den Kreis- prozessen der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine;FIG. 4 shows the energy flows between the circular processes of the heat engine according to the invention;
Figur 5 Darstellungen der Maxwell-Verteilung und der Nebelkondensation der beiden Arbeitsmedien A bzw. AB;FIG. 5 shows the Maxwell distribution and the fog condensation of the two working media A and AB;
Figur 6 eine detaillierte Darstellung der einzelnen Funktionsbausteine der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine; undFIG. 6 shows a detailed illustration of the individual functional modules of the heat engine according to the invention; and
Figur 7 eine Darstellung der Funktionsbausteine einer kompakten Wärmekraftmaschine gemäß der Erfindung.Figure 7 is an illustration of the function blocks of a compact heat engine according to the invention.
In Figur 1 sind verschiedene Verläufe von Wirkungsgraden einer hypothetischen Wärmekraftmaschine über 20 Zyklen dargestellt. Der Kreisprozeß der Wärmekraftmaschine hat einen thermischen Wirkungsgrad von 35%. Die Wärmekraftmaschine hat den gleichen Wirkungsgrad, solange keine Abwärme an den Kreisprozeß zurückgeführt wird (Verlauf bei 0%). Wenn dem Kreisprozeß über mehrere Zyklen hinweg die von ihm abgegebene Abwärme zu einem bestimmten Teil wieder zugeführt wird, so steigt der Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine langsam an. Bei einer Abwärmerück- führung von beispielsweise 80% erreicht die gezeigte Wärmekraftmaschine nach 20 Zyklen einen Wirkungsgrad von etwa 70%.FIG. 1 shows various courses of the efficiencies of a hypothetical heat engine over 20 cycles. The cycle process of the heat engine has a thermal efficiency of 35%. The heat engine has the same efficiency as long as no waste heat is returned to the cycle (course at 0%). If the waste heat that is emitted by it is fed back to the cycle to a certain extent over several cycles, the efficiency of the heat engine slowly increases. With waste heat recirculation of 80%, for example, the heat engine shown achieves an efficiency of about 70% after 20 cycles.
In Figur 2 ist der gleiche Vorgang für einen Kreisprozeß mit einem Wirkungsgrad von nur 5% dargestellt. Wie in Figur 2 zu sehen ist, steigt der Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine bei einer Abwärmerückführung von 80% auf einen Wert von etwa 20%. Mit Hilfe der Abwärmerückführung ließe sich der Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine gegenüber dem Wirkungsgrad des Kreisprozesses also etwa vervierfachen. In Figur 3 sind ein Dampfkreisprozeß (linkes pV-Diagramm) und ein Gaskreisprozeß (rechtes pV-Diagramm) schematisch in ihrer stofflichen Kopplung gezeigt. Als Dampfkreisprozeß ist hier ein einfacher Prozeß ohne mehrfache Zwischenüberhitzung dargestellt. Das Verfahren läßt sich ebenfalls auf alle anderen Dampfkreisprozesse anwenden. Der Dampfkreisprozeß enthält sechs ausgezeichnete Punkte Dl bis D6. Der Gaskreisprozeß enthält vier ausgezeichnete Punkte Gl bis G4. Die einzelnen Schritte sind nachfolgend im einzelnen erläutert:FIG. 2 shows the same process for a cyclic process with an efficiency of only 5%. As can be seen in FIG. 2, the efficiency of the heat engine increases from 80% to a value of approximately 20% with waste heat recirculation. With the help of waste heat recirculation, the efficiency of the heat engine could be roughly quadrupled compared to the efficiency of the cycle. In Figure 3, a steam cycle process (left pV diagram) and a gas cycle process (right pV diagram) are shown schematically in their material coupling. A simple process without multiple reheating is shown here as a steam cycle process. The method can also be applied to all other steam cycle processes. The steam cycle process contains six excellent points Dl to D6. The gas cycle process contains four excellent points G1 to G4. The individual steps are explained in detail below:
D1-D2 Die Flüssigkeit des Dampfkreisprozesses wird über eine Pumpe von niedrigem auf hohen Druck gefördert und einem Verdampfer bei hohem Druck zugeführt.D1-D2 The liquid of the steam cycle is pumped from low to high pressure and fed to an evaporator at high pressure.
D2-D3 Das Arbeitsmedium A wird in dem Verdampfer bei hohem Druck unter Wärmezufuhr (Qzu) verdampft und von der flüssigen in die gasförmige Phase überführt.D2-D3 Working medium A is evaporated in the evaporator at high pressure with the addition of heat (Q zu ) and converted from the liquid to the gaseous phase.
D3-D4 Der Dampf wird überhitzt, wobei diese Überhitzung nicht zwingend erforderlich ist. Bei Auslegung der Maschine zur Nutzung von Niedrigtemperaturwärme kann eine Überhitzung wegfallen.D3-D4 The steam is overheated, although this overheating is not absolutely necessary. If the machine is designed to use low-temperature heat, overheating can be eliminated.
D4-D5 Der Dampf wird unter Abgabe von Wellenarbeit entspannt, bis sein Druck dem Mischungsdruck des Gaskreisprozesses entspricht. (Anmerkung: Der Punkt wurde im Heißdampfgebiet dargestellt, er kann aber auch im Naßdampfgebiet liegen) .D4-D5 The steam is released with the emission of wave work until its pressure corresponds to the mixture pressure of the gas cycle process. (Note: The point was shown in the hot steam area, but it can also be in the wet steam area).
D5-D6 Diese Strecke wäre bei einem herkömmlichen Dampfkreisprozeß die vollständige Entspannung des Dampfes bis in das Naßdampfgebiet . Dieser Vorgang findet bei der erfindungsgemäßen Maschine jedoch im Gaskreisprozeß statt. D6-D1 Diese Strecke wäre bei einem herkömmlichen Dampfkreisprozeß die Überführung des Dampfkreisprozeßarbeits- mediums A von der gasförmigen in die flüssige Phase, indem durch Wärmeentzug die Kondensation erzwungen wird. Die schraffierte Fläche Qab entspricht der Abwärme des Dampfkreisprozesses . Dieser Vorgang findet bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ebenfalls im Gaskreisprozeß statt.D5-D6 In a conventional steam cycle process, this section would be the complete expansion of the steam down to the wet steam area. In the machine according to the invention, however, this process takes place in the gas cycle process. D6-D1 In the case of a conventional steam cycle process, this section would be the transfer of the steam cycle process medium A from the gaseous to the liquid phase, in that the condensation is forced by means of heat removal. The hatched area Q ab corresponds to the waste heat from the steam cycle. In the method according to the invention, this process also takes place in the gas cycle process.
D5-G2 Überleitung des ganz oder teilweise entspannten gasförmigen Arbeitsmediums A des Dampfkreisprozesses in den Gaskreisprozeß, und Zumischung des gasförmigen Arbeitsmediums A zu dem komprimierten gasförmigen Arbeitsmedium AB des Gaskreisprozesses . Durch eine Zumischung des Arbeitsmediums A in das Gasgemisch AB steigt die relative Feuchtigkeit des Gasgemisches AB bezüglich der Komponente A.D5-G2 Transfer of the completely or partially relaxed gaseous working medium A of the steam cycle into the gas cycle process, and admixing the gaseous working medium A to the compressed gaseous working medium AB of the gas cycle process. Adding the working medium A into the gas mixture AB increases the relative humidity of the gas mixture AB with respect to component A.
Nachfolgend wird der Gaskreisprozeß von seinem ersten Schritt an erläutert:The gas cycle process is explained below from its first step:
G1-G2 Adiabate Kompression des Gasprozeßarbeitsmediums AB. Dadurch steigen Druck und Temperatur des Mediums AB, und seine relative Feuchtigkeit bezüglich der Stoff- komponente A sinkt. Am Punkt G2 wird eine Stoffmenge des Mediums A aus dem Dampfkreisprozeß hinzugemischt, wie für den Übergang D5-G2 beschrieben.G1-G2 Adiabatic compression of the gas process working medium AB. As a result, the pressure and temperature of the medium AB rise and its relative humidity with respect to the component A decreases. At point G2, a quantity of substance of the medium A from the steam cycle process is mixed in, as described for the transition D5-G2.
G2-G3 Der eigentliche Mischvorgang: Hier steigt die Menge und damit das Volumen des im Gaskreisprozeß befindlichen Gasgemisches AB um die zugeführte Stoffmenge des Mediums A aus dem Dampfkreisprozeß, und die relative Feuchtigkeit des Gemisches AB bezüglich der Stoffkomponente A steigt an. Der Mischvorgang ist hier isobar dargestellt, was nicht zwingend notwendig ist. Das heißt, daß der Mischvorgang auch unter Druckveränderung erfolgen kann. Die Mischung erfolgt unter Abgabe von Wellenarbeit .G2-G3 The actual mixing process: Here the amount and thus the volume of the gas mixture AB in the gas cycle process increases by the amount of substance A supplied from the steam cycle process, and the relative humidity of the mixture AB with respect to the component A increases. The mixing process is shown isobar here, which is not absolutely necessary. This means that the mixing process also under pressure changes can be done. The mixing takes place with the release of wave work.
G3-G4 Das Gasgemisch wird unter Abgabe von Wellenarbeit adiabat entspannt. Dabei sinken Druck und Temperatur des Arbeitsmediums AB, und die relative Feuchtigkeit des Gasgemisches AB bezüglich seiner Stoffkomponente A übersteigt die Sättigungsgrenze . Die Moleküle des Stoffes A mit höherem Dipolmoment koagulieren zu Tröpfchen unter Abgabe ihrer kinetischen Energie an die in der Gasphase verbleibenden Teilchen AB. Es bildet sich Nebel unter Senkung von Druck und Volumen der verbleibenden Restgasmenge AB. Die relative Feuchtigkeit der Gasphase AB bezüglich des Stoffes A steigt auf 100%. Die latente Kondensationswärme der als Nebel kondensierten Menge des Stoffes A verbleibt in der Restgasmenge AB.G3-G4 The gas mixture is expanded adiabatically with the release of wave work. The pressure and temperature of the working medium AB drop, and the relative humidity of the gas mixture AB with regard to its component A exceeds the saturation limit. The molecules of substance A with a higher dipole moment coagulate into droplets, releasing their kinetic energy to the particles AB remaining in the gas phase. Fog is formed under pressure and volume of the remaining amount of residual gas AB. The relative humidity of the gas phase AB with respect to substance A increases to 100%. The latent heat of condensation of the amount of substance A condensed as mist remains in the residual gas amount AB.
G4-G1 Volumenabnahme durch Flüssigkeitsentzug: Der Nebel wird über eine Phasentrennung im konservativen Kraftfeld (vorzugsweise einem Zentrifugalfeld) aus der Restgasmenge des Arbeitsmediums AB entfernt und wieder dem Dampfkreisprozeß als Flüssigkeit zugeführt. Die Punkte G4 und Gl liegen tatsächlich sehr dicht beieinander, so daß die Umrandung des Gaskreisprozesses im pV-Diagramm fast ein Dreieck ergibt.G4-G1 Decrease in volume due to liquid withdrawal: The mist is removed from the residual gas volume of the working medium AB via a phase separation in the conservative force field (preferably a centrifugal field) and returned to the steam cycle process as a liquid. The points G4 and Gl are actually very close together, so that the outline of the gas cycle process in the pV diagram results in almost a triangle.
G4-D1 Dieser Schritt beschreibt den Stoffaustausch bezüglich des flüssigen Arbeitsmittels A vom Gaskreisprozeß in den Dampfkreisprozeß. Die dem Gaskreisprozeß entzogene Flüssigkeitsmenge des Stoffes A mit hohem molekularen Dipolmoment wird dem Dampfkreisprozeß also erneut zugeführt.G4-D1 This step describes the mass transfer with regard to the liquid working fluid A from the gas cycle process to the steam cycle process. The amount of liquid of substance A with a high molecular dipole moment which is withdrawn from the gas cycle process is thus fed back into the steam cycle process.
Die von dem Linienzug D-l-2-3-4-5-6-1 umrandete Fläche entspricht der im Dampfkreisprozeß maximal erzeugbaren Arbeit. Die von dem Linienzug G-l-2-3-4-1 umrandete Fläche entspricht der im Gaskreisprozeß maximal erzeugbaren Arbeit. Die Abwärme des Dampfkreisprozesses wird mit dem Abgas des Dampfkreisprozeß- arbeitsmittels A von Punkt D5 an Punkt G2 als Eingangswärme an den Gaskreisprozeß überführt, und die Abwärme des Gaskreisprozesses wird mit der kondensierten Flüssigkeit vom Punkt G4 zum Punkt Dl als Eingangswärme in den Dampfkreisprozeß überführt. Beide Kreisprozesse produzieren Arbeit und Abwärme aus zugeführter Wärme. Die Kombination der beiden Kreisprozesse in einer Wärmekraftmaschine führt dazu, daß diese keine Abwärme an die Umgebung abgibt .The area surrounded by the Dl-2-3-4-5-6-1 line corresponds to the maximum work that can be generated in the steam cycle process. The the area surrounded by the line Gl-2-3-4-1 corresponds to the maximum work that can be generated in the gas cycle process. The waste heat from the steam cycle process is transferred from the point D5 to point G2 as input heat to the gas cycle process with the exhaust gas from the steam cycle process working medium A, and the waste heat from the gas cycle process is transferred with the condensed liquid from point G4 to point D1 as input heat into the steam cycle process. Both cycle processes produce work and waste heat from the heat supplied. The combination of the two cycle processes in a heat engine means that it does not give off any waste heat to the environment.
Figur 4 zeigt die Energieflüsse in der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine zwischen dem Dampfkreisprozeß und dem Gas- kreisprozeß. Die Maschine enthält zwei Kreisprozesse, die jeder Wellenarbeit (WD und WG) und Abwärme (QD und QG) aus zugeführter Wärme erzeugen. Wie aus Figur 4 ersichtlich, wird dem Dampf- kreisprozeß die Wärme Qβxcβrι. plus QG zugeführt, und dem Gaskreisprozeß wird die Wärme QD zugeführt. Dadurch, daß die beiden Kreisprozesse wechselseitig ihren jeweiligen Abwärmestrom als zugeführte Wärme wiederverwenden, kann die Maschine den von außen zugeführten Wärmestrom Q^^ vollständig in Wellenarbeit Waxter-. umwandeln (abzüglich gegebenenfalls abgestrahlter Wärme).FIG. 4 shows the energy flows in the heat engine according to the invention between the steam cycle process and the gas cycle process. The machine contains two cyclic processes, each of which generates shaft work (W D and W G ) and waste heat (Q D and Q G ) from the heat supplied. As can be seen from FIG. 4, the heat Q βxcβrι the steam cycle process . plus Q G , and the heat Q D is supplied to the gas cycle process. Because the two cycle processes mutually reuse their respective waste heat flow as supplied heat, the machine can completely heat the flow Q ^^ supplied from outside in wave work W axter -. convert (less any radiated heat).
Dieses ist möglich, weil unter Ausnutzung der zwischenmolekular wirkenden Dipolmomente realer Gase auf mikroskopischer Ebene eine Separierung von schnellen (= heißen) und langsamen (= kalten) Teilchen über eine Kondensation durch Nebelbildung und anschließende Trennung im konservativen Kraftfeld erfolgt.This is possible because, using the intermolecularly acting dipole moments of real gases at the microscopic level, fast (= hot) and slow (= cold) particles are separated by condensation through the formation of fog and subsequent separation in the conservative force field.
Die Energieübertragung zwischen den Molekülen in der Gasphase erfolgt durch elastischen Stoß und unterliegt keiner Richtungsbeschränkung. Auf molekularer Ebene kann beim elastischen Stoß eine Nettoübertragung kinetischer Energie (= Wärme) von einem schweren und langsamen (= kalten) Stoßpartner auf einen leichten und schnellen (= heißen) Stoßpartner erfolgen. Da die Molekül- geschwindigkeiten nach Maxwell einer statistischen Verteilung unterliegen, gibt es immer Stoßpartner, die deutlich schneller oder langsamer sind, als es der makroskopisch gemessenen Temperatur entsprechen würde. Die Gasmischung aus Molekülen mit großem und kleinem Dipolmoment führt daher zwangsläufig bei Temperaturrückgang zu einer Koagulation von Molekülen mit hohem Dipolmoment, die dann als schwerere Stoßpartner beim elastischen Stoß mit Molekülen, die ein kleineres Dipolmoment haben, noch mehr kinetische Energie (= Wärme) verlieren. Der Temperatur- rückgang wird durch die adiabate Expansion (siehe Schritt G3-G4) erzwungen, so daß langsame Moleküle mit großem Dipolmoment aneinander haften bleiben müssen und ihre kinetische Energie an Moleküle mit geringem Dipolmoment abgeben. Weil die Übertragung der Kondensationswärme in der Gasphase nicht zwischen Körpern unterschiedlicher Temperatur, sondern auf molekularer Ebene über den elastischen Stoß zwischen Teilchen im Spektrum der Maxwell ' sehen Geschwindigkeitsverteilung stattfindet, bleibt der zweite Hauptsatz der Thermodynamik gewahrt.The energy transfer between the molecules in the gas phase takes place through elastic collision and is not subject to any directional restriction. At the molecular level, an elastic impact can result in a net transfer of kinetic energy (= heat) from a heavy and slow (= cold) impact partner to a light and fast (= hot) impact partner. Because the molecular speeds are subject to a statistical distribution according to Maxwell, there are always collision partners that are significantly faster or slower than would correspond to the macroscopically measured temperature. The gas mixture of molecules with large and small dipole moments therefore inevitably leads to a coagulation of molecules with a high dipole moment when the temperature drops, which then as heavier collision partners with elastic collision with molecules that have a smaller dipole moment lose even more kinetic energy (= heat). The drop in temperature is forced by the adiabatic expansion (see steps G3-G4), so that slow molecules with a large dipole moment must adhere to one another and release their kinetic energy to molecules with a low dipole moment. Because the transfer of the heat of condensation in the gas phase does not take place between bodies of different temperatures, but on a molecular level via the elastic collision between particles in the spectrum of Maxwell's velocity distribution, the second law of thermodynamics is preserved.
Dieser Vorgang ist in Figur 5 dargestellt. In dem linken Diagramm in Figur 5 ist die Maxwell 'sehe GeschwindigkeitsVerteilung des gasförmigen Gemisches der beiden Arbeitsmedien A und B dargestellt, wobei N(u) jeweils die Anzahl der Moleküle angibt, die eine bestimmte Geschwindigkeit u haben. Bei Abkühlung erfolgt eine Nebelkondensation durch adiabate Kondensation. Eine Mischung der Arbeitsmedien A und B mit einer Verminderten Konzentration des Arbeitsmediums A verbleibt weiterhin im gasförmigen Zustand (rechtes oberes Diagramm in Figur 5 ) . Das Arbeitsmedium A bildet hingegen Tröpfen und kann aus das Gasphase beispielsweise mit Hilfe einer Zentrifuge entfernt werden (rechtes unteres Diagramm in Figur 5).This process is shown in Figure 5. The left-hand diagram in FIG. 5 shows the Maxwell's velocity distribution of the gaseous mixture of the two working media A and B, where N (u) in each case indicates the number of molecules which have a specific velocity u. When cooling, fog condensation occurs through adiabatic condensation. A mixture of working media A and B with a reduced concentration of working medium A remains in the gaseous state (top right diagram in FIG. 5). The working medium A, on the other hand, forms droplets and can be removed from the gas phase, for example with the aid of a centrifuge (lower right diagram in FIG. 5).
Ein Stoffaustausch findet nur zwischen den beiden Kreisprozessen innerhalb der Maschine und nicht mit der Umgebung statt. Die Maschine kann als geschlossenes System konstruiert werden, deren Systemgrenze nur für Wärmeenergie und Wellenarbeit durchlässig ist. Da die Maschine keine Abwärme an die Umgebung zurückführen muß, kann sie Wärmeenergie niedriger Temperatur als Wärmequelle nutzen. Hierzu ist erforderlich, daß der Dampfkreisprozeß eine Phasenübergangstemperatur unterhalb der Temperatur der Niedrigtemperaturwärmequelle besitzt. Anderenfalls kann die Niedrigtemperaturwärme nicht zur Verdampfung des Dampfkreislauf- arbeitsmediums herangezogen werden. Da die Abstrahlverluste dann gering sind, wenn die Wärmeenergie bei niedriger Temperatur zugeführt wird, ist der Wirkungsgrad der Maschine bei Einsatz von Niedrigtemperaturwärme sogar besser als bei Einsatz von Hochtemperaturwärme .A mass transfer takes place only between the two cycle processes within the machine and not with the environment. The machine can be constructed as a closed system, the system limit of which is only for thermal energy and wave work is permeable. Since the machine does not have to return waste heat to the environment, it can use low-temperature thermal energy as a heat source. This requires that the steam cycle process have a phase transition temperature below the temperature of the low-temperature heat source. Otherwise, the low temperature heat cannot be used to evaporate the steam cycle working medium. Since the radiation losses are low when the thermal energy is supplied at a low temperature, the efficiency of the machine is even better when using low-temperature heat than when using high-temperature heat.
Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine kann als Kolbenmaschine (Motor) oder als Strömungsmaschine (Turbine) konzipiert sein. Da zur Phasentrennung des Nebels ein Zentrifugalfeld vorteilhaft ist, wird vorzugsweise eine Strömungsmaschine verwendet, da in den drehenden Teilen einer Turbine leicht ein solches Zentrifugalfeld erzeugt werden kann.The heat engine according to the invention can be designed as a piston machine (motor) or as a turbo machine (turbine). Since a centrifugal field is advantageous for phase separation of the mist, a turbomachine is preferably used, since such a centrifugal field can easily be generated in the rotating parts of a turbine.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 6 und 7 werden zwei Strömungsmaschinen beschrieben, die zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet sind.Two flow machines which are suitable for implementing the method according to the invention are described with reference to FIGS. 6 and 7.
Figur 6 zeigt ein umfangreiches System, welches für einen Dampfkreisprozeß mit Überhitzung geeignet ist, und Figur 7 zeigt ein kompaktes System, das als Minimalkonfiguration nur noch die absolut notwendigen Systemelemente enthält .FIG. 6 shows an extensive system which is suitable for a steam cycle process with overheating, and FIG. 7 shows a compact system which, as a minimal configuration, only contains the absolutely necessary system elements.
Beide Abbildungen enthalten nur die Funktionsbausteine der jeweiligen Maschinen ohne konstruktive Auslegung, sowie eine Darstellung der Stoffströme zwischen den Bausteinen.Both figures only contain the function blocks of the respective machines without any design, as well as a representation of the material flows between the blocks.
Wie in Figur 6 dargestellt, enthält eine erfindungsgemäßeAs shown in Figure 6, contains one according to the invention
Wärmekraftmaschine mindestens die Funktionsbausteine: Pumpe, Verdampfer, Dampfturbine, Mischkammer, Gasturbine, Kondensator,Heat engine at least the functional components: pump, evaporator, steam turbine, mixing chamber, gas turbine, condenser,
Zentrifuge und Verdichter. Dabei enthält der Dampfkreisprozeß die Bausteine: Pumpe, Verdampfer, Dampfturbine und Kondensator. Der Gaskreisprozeß enthält die Bausteine: Gasturbine und Verdichter. Der Stoffaustausch zwischen den beiden Kreisprozessen erfolgt mittels einer Mischkammer und einer Zentrifuge. Die Wellenarbeitsverbraucher sind Verdichter, Pumpe und Zentrifuge, die von der Gas- und/oder der Dampfturbine angetrieben werden. Gleichzeitig geben die Dampf- und/oder die Gasturbine Wellenarbeit an einen externen Verbraucher ab.Centrifuge and compressor. The steam cycle contains the building blocks: pump, evaporator, steam turbine and condenser. The gas cycle process contains the building blocks: gas turbine and compressor. The mass transfer between the two cycle processes takes place by means of a mixing chamber and a centrifuge. The shaft work consumers are the compressor, pump and centrifuge, which are driven by the gas and / or steam turbine. At the same time, the steam and / or gas turbine deliver wave work to an external consumer.
Dem Verdampfer wird über die Pumpe flüssiges Arbeitsmedium A zugeführt, bei hohem Druck unter Wärmezugabe verdampft und in der Dampfturbine unter Abgabe von Wellenarbeit entspannt. Das Abgas der Dampfturbine wird in der Mischkammer mit dem vom Verdichter komprimierten Arbeitsgas AB des Gaskreisprozesses vermischt und über die Gasturbine unter Abgabe von Wellenarbeit entspannt. Nach Verlassen der Gasturbine entsteht Nebel im Kondensator. Der Nebel wird in der Zentrifuge aus der Gasphase des Gaskreisprozesses entfernt und dem Dampfkreisprozeß über die Pumpe erneut als Flüssigkeit zugeführt.Liquid working medium A is fed to the evaporator via the pump, evaporated at high pressure with the addition of heat and expanded in the steam turbine with the emission of wave work. The exhaust gas from the steam turbine is mixed in the mixing chamber with the working gas AB compressed by the compressor in the gas cycle process and expanded via the gas turbine, releasing wave work. After leaving the gas turbine, mist is created in the condenser. The mist is removed from the gas phase of the gas cycle process in the centrifuge and fed back into the vapor cycle process as a liquid via the pump.
In Figur 7 sind die Funktionsbausteine Dampf- und Gasturbine sowie die Mischkammer in dem Baustein Turbine und die Funktions- bausteine Kondensator und Zentrifuge in dem Baustein Kondensationszentrifuge zusammengefaßt. Die Gasströme beider Kreis- prozesse werden hier direkt in einer Turbine zusammengeführt, deren Abgas in der KondensationsZentrifuge in die beiden Phasen getrennt wird. Pumpe und Verdichter führen die jeweiligen Fluide wieder in den Kreislauf zurück. Ein solches Aggregat kann sehr kompakt gebaut werden.In FIG. 7, the steam and gas turbine function blocks and the mixing chamber in the turbine module and the condenser and centrifuge function blocks are combined in the condensation centrifuge module. The gas streams of both cycle processes are brought together directly in a turbine, the exhaust gas of which is separated into the two phases in the condensation centrifuge. The pump and compressor return the respective fluids back into the circuit. Such a unit can be built very compact.
Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine kann sowohl im Hochtemperaturbereich als auch im Niedrigtemperaturbereich eingesetzt werden, sofern die Phasenübergangstemperatur des Dampfkreisprozesses unter der Temperatur der Wärmequelle liegt. Da die Wärmekraftmaschine keinen Stoffaustausch mit der Systemumgebung erfordert, ist sie vollkommen umweltneutral. Im Niedrigtemperaturbereich können Werkstoffe zum Einsatz kommen, die im Hochtemperaturbereich mangels Warmfestigkeit nicht verwendet werden dürfen.The heat engine according to the invention can be used both in the high-temperature range and in the low-temperature range, provided that the phase transition temperature of the steam cycle is below the temperature of the heat source. Since the heat engine does not require a mass transfer with the system environment, it is completely environmentally neutral. in the Materials that cannot be used in the high temperature range due to a lack of heat resistance can be used in the low temperature range.
Damit lassen sich für Niedrigtemperaturwärmekraftmaschinen, die keinen Stoffaustausch mit der Umgebung haben, Anwendungen erschließen, die herkömmlichen Maschinen nach dem Stand der Technik im Hochtemperaturbereich nicht zugänglich sind. In this way, applications can be opened up for low-temperature heat engines that have no mass exchange with the environment, which conventional machines according to the state of the art cannot access in the high-temperature range.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Umsetzung von Wärmeenergie in mechanische Energie in einer Wärmekraftmaschine mit einem ersten thermodynamischen Kreisprozeß, bei dem ein Teil der Abwärme des ersten Kreisprozesses wieder in den ersten Kreisprozeß zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein zweiter Kreisprozeß vorgesehen ist, wobei die Abwärme des ersten Kreisprozesses dem zweiten Kreisprozeß zugeführt und die Abwärme des zweiten Kreisprozesses dem ersten Kreisprozeß zugeführt wird.1. A method for converting thermal energy into mechanical energy in a heat engine with a first thermodynamic cycle, in which part of the waste heat from the first cycle is returned to the first cycle, characterized in that at least a second cycle is provided, the waste heat of the first cycle to the second cycle and the waste heat of the second cycle is fed to the first cycle.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Kreisprozeß ohne Stoffaustausch mit der Umgebung gleichzeitig ablaufen.2. The method according to claim 1, characterized in that the first and the second cycle run simultaneously without mass transfer with the environment.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kreisprozeß ein Dampfkreisprozeß und der zweite Kreisprozeß ein Gaskreisprozeß ist.3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the first cycle process is a steam cycle process and the second cycle process is a gas cycle process.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Dampfkreisprozeß ein Arbeits- medium A verwendet wird, das einen Stoff oder ein Stoff- gemisch mit einem hohen molekularen Dipolmoment enthält, und daß im Gaskreisprozeß ein Arbeitsmeditim AB verwendet wird, das ein Gemisch AB aus der gasförmigen Phase des Dampfkreisprozeßarbeitsmediums A und einer zweiten Komponente B enthält, die ein Stoff oder ein Stoffgemisch mit einem niedrigen molekularen Dipolmoment enthält.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a working medium A is used in the steam cycle process, which contains a substance or a mixture of substances with a high molecular dipole moment, and that in the gas cycle process a Arbeitsmeditim AB is used that contains a mixture AB of the gaseous phase of the steam cycle working medium A and a second component B, which contains a substance or a substance mixture with a low molecular dipole moment.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die der Wärmekraftmaschine von außen zugeführte Wärmeenergie vorzugsweise zur Verdampfung des flüssigen Dampf rozeßarbeitsmediums A dient. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the heat energy supplied from the outside of the heat engine is preferably used for the evaporation of the liquid vapor process working medium A.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Gaskreisprozeß und dem Dampfkreisprozeß ein Stoffaustausch stattfindet.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a mass transfer takes place between the gas cycle process and the steam cycle process.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dampfkreisprozeßarbeitsmedium A durch Stoffaustausch zyklisch an beiden Kreisprozessen teilnimmt.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the steam cycle working medium A participates cyclically in both cycles through mass transfer.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gasförmige Phase des Dampfkreisprozeßarbeitmediums A mit der gasförmigen Phase des Gaskreisprozeßarbeitsmediums AB gemischt wird.8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the gaseous phase of the steam cycle working medium A is mixed with the gaseous phase of the gas cycle process working medium AB.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Dampfkreisprozeß unter Abgabe von Wellenarbeit ein zyklischer Phasenwechsel flüssiggasförmig-flüssig eines Arbeitsmediums A stattfindet.9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a cyclic phase change takes place liquid-gaseous-liquid of a working medium A in the steam cycle process with the emission of wave work.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Gaskreisprozeß unter Abgabe von Wellenarbeit ein zyklischer Mengen- bzw. Konzentrationswechsel des Dampfkreisprozeßarbeitsmediums A bezüglich des Gaskreisprozeßarbeitsmediums AB stattfindet.10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a cyclical change in quantity or concentration of the steam cycle working medium A with respect to the gas cycle working medium AB takes place in the gas cycle process with the emission of wave work.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kondensation des Dampfkreisprozeßarbeitsmediums A im wesentlichen innerhalb und während der Expansionsphase des Gaskreisprozeßarbeitsmediums AB stattfindet .11. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a condensation of the steam cycle working medium A takes place essentially within and during the expansion phase of the gas cycle working medium AB.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der durch Phasenübergang des Dampfkreisprozeßarbeitsmediums A entstandene Nebel mit Hilfe eines konservativen Kraftfelds, vorzugsweise eines Zentrifugalfelds, aus dem Gaskreisprozeßarbeitsmedium AB sepa- riert und dem Arbeitsmedium A des Dampfkreisprozesses als Flüssigkeit erneut zugeführt wird.12. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the mist created by the phase transition of the steam cycle process working medium A is separated from the gas cycle process working medium AB with the aid of a conservative force field, preferably a centrifugal field. riert and the working medium A of the steam cycle as a liquid is supplied again.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Dampfkreisprozeßarbeitsmedium A und die zweite Komponente B des Gaskreisprozeßarbeitsmediums AB in den Kombinationen vorliegen können:13. The method according to any one of claims 4 to 12, characterized in that the steam cycle working medium A and the second component B of the gas cycle working medium AB can be present in the combinations:
A = Wasser und B = Luft;A = water and B = air;
A = Kohlendioxid und B = Luft/Stickstoff;A = carbon dioxide and B = air / nitrogen;
A = Ammoniak und B= Luft/Stickstoff;A = ammonia and B = air / nitrogen;
A = Kältemischung und B = Luft/Stickstoff;A = cold mixture and B = air / nitrogen;
A = Stickstoff und B = Wasserstoff; oderA = nitrogen and B = hydrogen; or
A = Stickstoff und B = Edelgas.A = nitrogen and B = noble gas.
14. Wärmekraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen ersten thermodynamischen Kreisprozeß und einen zweiten thermodynamischen Kreisprozeß, wobei die Abwärme des ersten Kreisprozesses dem zweiten Kreisprozeß zugeführt und die Abwärme des zweiten Kreisprozesses dem ersten Kreisprozeß zugeführt wird, und wobei der erste Kreisprozeß ein Dampfkreisprozeß und der zweite Kreisprozeß ein Gaskreisprozeß ist.14. Heat engine for performing the method according to one of the preceding claims, characterized by a first thermodynamic cycle and a second thermodynamic cycle, wherein the waste heat of the first cycle is fed to the second cycle and the waste heat of the second cycle is fed to the first cycle, and wherein the the first cycle is a steam cycle and the second cycle is a gas cycle.
15. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmekraftmaschine mindestens die Funktions- bausteine Pumpe, Verdampfer, Dampfturbine, Mischkammer, Gasturbine, Kondensator, Zentrifuge und Verdichter enthält.15. Heat engine according to claim 14, characterized in that the heat engine contains at least the function blocks pump, evaporator, steam turbine, mixing chamber, gas turbine, condenser, centrifuge and compressor.
16. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 15, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Arbeitsmedium A des Dampfkreisprozesses unter Druckerhöhung dem Verdampfer zugeführt, dort unter Zufuhr von Wärmeenergie verdampft und in der Dampfturbine unter Abgabe von Wellenarbeit expandiert wird. 16. Heat engine according to one of claims 15, characterized in that the liquid working medium A of the steam cycle is fed to the evaporator while increasing the pressure, evaporates there with the supply of thermal energy and is expanded in the steam turbine with the emission of wave work.
17. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas der Dampfturbine in der Mischkammer mit dem komprimierten Arbeitsmedium AB des Gaskreisprozesses vermischt, in der Gasturbine unter Abgabe von Wellenarbeit expandiert und in einem Kondensator durch Expansion zur Nebelbildung gebracht wird, daß der Nebel des Dampfprozeßarbeitsmediums A in der Zentrifuge separiert und als Flüssigkeit über die Pumpe dem Verdampfer zugeführt wird und daß das verbleibende Gas- kreisprozeßarbeitsmedium AB aus der Zentrifuge über den Verdichter erneut der Mischkammer zugeführt wird.17. Heat engine according to one of claims 15 and 16, characterized in that the exhaust gas from the steam turbine is mixed in the mixing chamber with the compressed working medium AB of the gas cycle process, expanded in the gas turbine with the emission of wave work and brought to fog formation by expansion in a condenser, that the mist of the steam process working medium A is separated in the centrifuge and fed as liquid to the evaporator via the pump and that the remaining gas cycle working working medium AB is fed again from the centrifuge to the mixing chamber via the compressor.
18. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß Verdichter, Pumpe und Zentrifuge von der Dampfturbine und/oder der Gasturbine angetrieben werden.18. Heat engine according to one of claims 15 to 17, characterized in that the compressor, pump and centrifuge are driven by the steam turbine and / or the gas turbine.
19. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfturbine und/oder die Gasturbine an einen externen Verbraucher Wellenarbeit abgeben .19. Heat engine according to one of claims 15 to 18, characterized in that the steam turbine and / or the gas turbine emit wave work to an external consumer.
20. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsbausteine Dampfturbine, Gasturbine und Mischkammer zu einer Funktionseinheit Turbine, und die Funktionsbausteine Kondensator und Zentrifuge zu einer Funktionseinheit KondensationsZentrifuge zusammengefaßt sind.20. Heat engine according to one of claims 15 to 19, characterized in that the functional components steam turbine, gas turbine and mixing chamber to form a functional unit turbine, and the functional components condenser and centrifuge are combined to form a functional unit condensation centrifuge.
21. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenübergangstemperatur des Dampfprozeßarbeitsmediums unter der Umgebungstemperatur der Wärmekraftmaschine liegt. 21. Heat engine according to one of claims 14 to 20, characterized in that the phase transition temperature of the steam process working medium is below the ambient temperature of the heat engine.
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