DE3527438A1 - Heat engine for using environmental heat - Google Patents
Heat engine for using environmental heatInfo
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Abstract
Description
Wärmekraftmaschine zur Nutzung von Umweltwärme Heat engine for the use of environmental heat
============================================== Die erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine zur Nutzung von Umweltwrrme gleichmäßiger Temperatur, die sich im inneren Gleichgewicht befindet, wie z. B. normale Luft- oder Wasserwärme. Sie eignet sich neben dem Antrieb von Fahrzeugen insbes. für größere stationäre Anlagen, wie z. B. zum Antrieb elektr. Generatoren in Kraftwerken. ============================================== The invention concerns a heat engine for the use of ambient heat of uniform temperature, the is in inner equilibrium, such as B. normal air or water heat. In addition to driving vehicles, it is particularly suitable for larger stationary ones Systems such as B. to drive electr. Generators in power plants.
Derartige Wärmekraftmaschinen bestehen aus einem zweiteiligen Arbeitsstoff-Kreislauf. Sie können im offenen oder geschlossenen Kreisprozeß betrieben werden. Beim (über die Atmosphäre) offenen Kreisprozeß wird über den einen Teilkreis unmittelbar atmosphärische Luft mittels eines ein- oder mehrstufigen Kompressors aus der Umgebung angesaugt, verdichtet und einer Zweistoffdüse zugeführt. Uber den andern Teilkreis wird ebenfalls atmosphärische Luft - mittels der über den Kompressor verdichteten Luft - angesaugt. Das so aus beiden Arbeitsstoff-Komponenten in der Zweistoffdüse erhaltene Mischprodukt mit dem neuen Druck (dem Mischdruck) und der neuen Temperatur (der Mischtemperatur) wird schließlich über eine (beliebige) Expansionsmaschine, vorzugsweise über eine Gasturbine, entspannt und abgekühlt der Atmosphäre wieder zugeführt. Beim geschlossenen Kreisprozeß wird - im Gegensatz zur offenen Betriebsweise - zusätzlich ein Wärmetauscher verwendet, über den das in der Expansionsmaschine entspannte und abgekühlte Arbeitsgas zunächst aus der Umgebung Wärme aufnimmt, befor es vom Kompressor und der Zweistoffdüse von neuem angesaugt und in den Kreisprozeß eingegeben wird.Such heat engines consist of a two-part working material cycle. They can be operated in an open or closed cycle process. At (over The atmosphere) open cycle becomes immediately atmospheric through the one partial circle Air is sucked in from the environment by means of a single or multi-stage compressor, compressed and fed to a two-fluid nozzle. The other partial circle is also atmospheric air - sucked in by means of the air compressed by the compressor. The mixed product obtained in this way from the two working substance components in the two-substance nozzle with the new pressure (the mixed pressure) and the new temperature (the mixed temperature) is finally via any expansion machine, preferably via a Gas turbine, relaxed and cooled, returned to the atmosphere. When closed In contrast to the open mode of operation, a circular process is also a heat exchanger used, over which the expanded and cooled working gas in the expansion machine first absorbs heat from the environment before it comes from the compressor and the two-substance nozzle sucked in again and entered into the cycle.
Wie nun eine thermodynamische Berechnung zeigt, ergibt sich trotz des an der Zweistoffdüse vorhandenen Druck- und Temperaturabfalls (= ntropiezunahme) aus dem Mischprodukt beider Arbeitsstoff-Komponenten bei der vntspannung über die Gasturbine eine merklich größere mechanische Rückgewinn-Arbeit, als zur Bereitstellung der Druckluft für die eine Arbeitsstoff-Komponente am Kompressor benötigt wurde. Somit ist es - nach vorhergehendem Anwurf durch einen Starter-Motor - möglich, die für den Betrieb des Kompressors benötigte mechanische Arbeit von der Turbine abzuzweigen (= Rückführ-Arbeit) und die restliche Turbinenarbeit (= Differenzarbeit) nach außen abzuführen und zu nutzen.As a thermodynamic calculation now shows, this results despite the pressure and temperature drop present at the two-substance nozzle (= increase in propensity) from the mixed product of the two working substance components when relaxing over the Gas turbine a noticeably greater mechanical recovery work than to provide the compressed air for which an agent component was required on the compressor. It is thus - after a previous start-up by a starter motor - possible the to divert the mechanical work required for the operation of the compressor from the turbine (= Return work) and the remaining turbine work (= differential work) to the outside dissipate and use.
Diese Differenzarbeit ist das mechanische Wärmeäquivalent der von außen insgesamt aufgenommenen Wärme (1. Hauptsatz der Thermodynamik).This differential work is the mechanical heat equivalent of that of Total heat absorbed outside (1st law of thermodynamics).
Beim offen betriebenen Kreisprozeß ist dies die Differenzwärme von der von außen zugeführten und nach außen wieder abgegebenen atmosphärischen Luftwarme. Beim geschlossenen Kreisprozeß ist dies die über den Wärmetauscher aus der Umwelt aufgenommene und an den Arbeitsstoff übertragene Wärme, die ebenfalls als Differenzwärme auftritt und in diesem Betriebsfalle zwischen dem Zu- und Abgang am Wärmetauscher eingegeben wird.In an open cycle, this is the difference in heat from the atmospheric warmth of the air supplied from the outside and released again to the outside. In the closed cycle process, this is the one from the environment via the heat exchanger Heat absorbed and transferred to the working material, which is also used as differential heat occurs and in this operating case between the inlet and outlet on the heat exchanger is entered.
Es wird also auch hier, wie bei allen bisher bekannten Wärmekraftmaschinenprozessen, bei der Entspannung nur ein Teil der über die Expansionsmaschine geführten Arbeitsstoffwärme (= Differenzwärme) in mechanische Arbeit umgesetzt. Da sich jedoch beim neuen Arbeitsprinzip der am Turbinenausgang anfallende Arbeitsstoff sich bei der Entspannung über die Turbine unter das Umgebungs-Temperaturniveau abkühlen läßt, ist eine Wärmeaufnahme aus der Umgebung (auch bei sehr niederen Temperaturen) möglich, d. h. ein vorhandenes, in sich ausgeglichenes, beliebiges Wärmepotential von beliebigem oberen Temperaturniveau kann bis auf ein sehr tiefes unteres Temperaturniveau abgetragen, bezw. in mechanische Arbeit umgesetzt werden. Dies ist möglich, weil der Mischdruck an der Zweistoffdüse bei jedem gerade vorhandenen Umgebungstemperaturniveau immer in gleicher Größe vom Kompressor erzeugt wird.So here too, as with all previously known heat engine processes, during expansion, only part of the working material heat passed through the expansion machine (= Differential heat) converted into mechanical work. However, since the new working principle the working substance accumulating at the turbine outlet during the expansion via the Allowing the turbine to cool below the ambient temperature level is heat absorption from the environment (even at very low temperatures) possible, d. H. an existing one Any heat potential, balanced in itself, at any upper temperature level can be removed down to a very low lower temperature level, respectively. in mechanical Work to be implemented. This is possible because of the mixing pressure on the two-substance nozzle for every current ambient temperature level, always in the same size from Compressor is generated.
Diese Eigenschaft macht die Wärmekraftmaschine auch zum Betrieb als "Kältemaschine geeignet, wenn man die Wärmeaufnahme aus einem gegenüber der Umwelt mehr oder minder abgeschlossenen Wärmereservoir vornimmt und die daraus gewonnene mechanische Arbeit nach außerhalb, an das "obere Wärmereservoir der Umgebung",abgibt. Dies erreicht man z. B.This property also makes the heat engine to operate as a "A refrigeration machine is suitable when you consider the heat absorption from one compared to the environment makes more or less closed heat reservoir and the gained from it mechanical work to the outside, to the "upper heat reservoir of the environment". This can be achieved e.g. B.
durch unmittelbare ubertragung der mechanischen Arbeit (aus dem in der Temperatur tiefer gelegenen Wärmereservoir) mittels einer Arbeitswelle oder in Form elektr. Arbeit mittels elektr. Leitungen bei vorhergehender Setzung der mechanischen Arbeit in elektr. Energie.through direct transfer of the mechanical work (from the in the temperature of the lower-lying heat reservoir) by means of a working shaft or in the form of electr. Work by means of electr. Lines with previous setting of the mechanical work in electr. Energy.
Da bei der vorliegenden Wärmekraftanlage nur Energie in Form mechanischer oder elektrischer Arbeit (nicht in Form niedertemperierter Abwärme) nach außen abgeführt wird und diese der von außen zugeführten Umgebungswärme äquivalent ist, ergibt sich, gemäß dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik, einen für die Wärmekraftanlage definierten Wärmewirkungsgrad von theoretisch 100 % : : nach außen abgeführte Differenzarbeit n|th = von außen aufgenommene Differenzwärme Dieser Wärmewirkungsgrad ist unabhängig von der jeweils abgeführten Maschinenarbeit oder Maschinenleistung weil das Verhältnis von Arbeit und Wärme theoretisch immer von gleicher Größe und somit eins" ist.Since in the present thermal power plant only energy in the form of mechanical or electrical work (not in the form of low-temperature waste heat) is dissipated to the outside and this is equivalent to the ambient heat supplied from the outside, according to the 1st law of thermodynamics, there is one defined for the thermal power plant Theoretically 100% thermal efficiency:: Differential work dissipated to the outside n | th = differential heat absorbed from the outside This thermal efficiency is independent of the machine work or machine output carried out in each case because the ratio of work and heat is theoretically always of the same size and is therefore one ".
Um jedoch auch eine Aussage über die Qualität der vorliegenden Wärmekraft anlage hinsichtlich ihrer inneren Arbeitsverhältnisse machen zu können, kann man beispielsweise die aufgewendete Kompressorarbeit und die insgesamt gewonnene Turbinenarbeit miteinander vergleichen und einen sogenannten Arbeitswirkungsgrad n|W " definieren abgegebene gesamte Turbinenarbeit Wt aufgewendete gesamte Kompressorarbeit ~ Wk = (Gl.2) oder, indem man nur die tatsächlich nach außen abgebbare Nutzarbeit (= Differenzarbeit # Wab) der Turbine ins Verhältnis setzt zur aufgewendeten Kompressorarbeit Wk und somit einen sogenannten "effektiven Arbeitswirkungsgrad i w " definiert gesamte Turbinenarbeit - gesamte Kompressorarbeit gesamte Kompressorarbeit Wie an Hand eines praktischen Ausführungsbeispiels noch gezeigt wird, ergibt sich gemäß der Definition nach Gl. 2 für eine derartige Wärmekraftanlage mit zweistufiger Verdichtung (nach Abb. 8) einen sogenannten "Arbeitswirkungsgrad" von etwa n|W = Wt/Wk = 136 %, und nach Gl. 3 einen sogenannten "effektiven Arbeitswirkungsgrad" von qnw Wt/Wk - 1 = = 1,36 - 1 = 0,36 = Anstelle der Arbeiten Wt und Wk könnten in die Gleichungen 2 u. 3 auch die entsprechenden TemperaturdifferenzenJTt und alk eingesetzt werden. Die entspr. Gleichungen sind auf Seite 9 angegeben.However, in order to be able to make a statement about the quality of the existing thermal power plant with regard to its internal working conditions, one can, for example, compare the compressor work and the total turbine work gained and define a so-called work efficiency n | W "total turbine work output Wt total compressor work applied ~ Wk = (equation 2) or by only putting the useful work that can actually be released to the outside (= differential work # Wab) in relation to the compressor work Wk and thus a so-called "effective work efficiency iw" defines total turbine work - total compressor work total compressor work As will be shown on the basis of a practical exemplary embodiment, according to the definition according to Eq. 2 for such a thermal power plant with two-stage compression (according to Fig. 8) a so-called "working efficiency" of about n | W = Wt / Wk = 136%, and according to Eq. 3 a so-called "effective work efficiency" of qnw Wt / Wk - 1 = = 1.36 - 1 = 0.36 = Instead of the work Wt and Wk, the corresponding temperature differences JTt and alk could also be used in equations 2 and 3. The corresponding equations are given on page 9.
Eine derartige Wärmekraftanlage arbeitet mit einem umso höheren "Arbeitswirkungsgrad" bezw. "effektiven Arbeitswirkungsgrad", je mehrstufiger die Kompressoranlage ausgeführt ist, je höher das Druckverhaltnis bei der Erzeugung des Mischdrucks an der Zweistoffdüse gewählt wurde, je mehr man von der adiabaten auf die isotherme Verdichtung und Entspannung des Arbeitsstoffs sowohl am Kompressor als auch an der Turbine übergeht (was praktisch jedoch in Richtung isothermer Verdichtung und Entspannung leistungsmäßig sehr begrenzt ist) und je verlustfreier und vollständiger man die bei einer mehrstufigen Kompressoranlage aus der Zwischenkühlung anfallende Abwärme (q) auf den über die Zweistoffdüse aufgenommenen kälteren Arbeitsstoffanteil übertragen kann.Such a thermal power plant works with a higher "work efficiency" respectively "Effective working efficiency", the more multi-stage the compressor system is is, the higher the pressure ratio when generating the mixing pressure at the two-substance nozzle was chosen, the more you move from the adiabatic to the isothermal compression and relaxation of the working substance passes over both at the compressor and at the turbine (which is practical however, in terms of performance, it is very limited in terms of performance in the direction of isothermal compression and relaxation is) and the more lossless and more complete you get in a multi-stage compressor system Waste heat (q) arising from the intercooling is transferred to the heat absorbed via the two-fluid nozzle can transfer colder working material content.
Derartige Warmekraftanlagen zur Nutzung von Wärme aus einem auf dem Temperaturniveau der Umgebung stehenden, in sich ausgeglichenen Wärmereservoir sind bis heute nicht bekannt geworden.Such thermal power plants to use heat from one on the Temperature level of the surrounding, balanced heat reservoir not known until today.
Mit den heute üblichen Wärmekraftmaschinen-Kreisprozessen, mit sogenannter "einkreisiger Prozeßführung", ist dies auch gar nicht möglich, da die notwendige Wärmeabgabe bezw. Abwärme der Expansionsmaschine an die Umgebung ein zweites, außerhalb der Wärmekraftanlage befindliches, in seiner Temperatur tiefer liegendes Wärmereservoir erforderlich macht und ein solches nicht ohne mindestens gleichgroßen Arbeitsaufwand , z. B. mittels einer Kältemaschine, hergestellt werden kann.With the heat engine cycle processes that are common today, with so-called "single-circuit process management", this is not even possible, since the necessary Heat emission respectively Waste heat from the expansion machine to the environment a second, outside the thermal power plant located, in its temperature lower lying heat reservoir makes it necessary and not without at least the same amount of work , e.g. B. by means of a refrigeration machine can be produced.
Beim neuen Arbeitsprinzip, mit sog. "zweikreisiger Prozeßführung", muß die Abwärme (die hier durch Zwischenkühlung anfällt) nicht nach außerhalb der Wärmekraftanlage abgeführt werden; sie kann vielmehr intern (und damit auch nutzbringend) auf den zweiten, über die Zweistoffdüse unverdichtet aufgenommenen Arbeitsstoff übertragen werden, weil der aus der Umgebung entnommene (beim offenen Kreisprozeß) oder der aus der Turbine abgeführte Arbeitsstoff (beim geschlossenen Kreisprozeß) in seiner Temperatur tiefer liegt als der über den Kompressor verdichtete Arbeitsstoffanteil. Somit ist eine selbständige Wärmeübertragung der durch Zwischenkühlung anfallenden Abwärme ohne besonderen Arbeitsaufwand auf den über die Zweistoffdüse angesaugten internen Arbeitsstoff möglich (Entropiesatz oder 2. Hauptsatz der Thermodynamik).With the new working principle, with so-called "two-circuit process management", the waste heat (which arises here through intermediate cooling) does not have to go outside the Thermal power plant to be dissipated; Rather, it can be internally (and thus also usefully) on the second working substance, which is absorbed via the two-substance nozzle, without being compressed transferred because the material taken from the environment (in the case of an open cycle) or the working substance discharged from the turbine (in the case of a closed cycle) its temperature is lower than the proportion of working substance compressed by the compressor. This means that there is an independent heat transfer that occurs through intercooling Waste heat is drawn in via the two-substance nozzle without any special effort internal working substance possible (entropy law or 2nd law of thermodynamics).
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß eine praktisch unerschöpfliche, regenerative Energiequelle von relativ hoher Energiedichte zur dauernden Verfügung steht und absolut ohne Umweltbelastung arbeiten kann. Sie ist zu jeder Zeit (Tag und Nacht, Sommer und Winter) und an jedem Ort, wo entweder Luft-, Wasser-oder Strahlungswärme vorhanden ist, betriebsfähig. Sie kann die bisher verwendeten fossilen und nuklearen Energieträger ersetzen, da sie sowohl ökologisch als auch ökonomisch diesen auf die Dauer weit überlegen ist.The advantages achieved with the invention are in particular: that a practically inexhaustible, regenerative energy source of relatively high Energy density is permanently available and works absolutely without environmental pollution can. She is at all times (day and night, summer and winter) and in every place operable where either air, water or radiant heat is present. she can replace the previously used fossil and nuclear energy sources, as they is far superior in the long run, both ecologically and economically.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Abb. 1 das Prinzipbild der Wärmekraftanlage mit 2-stufiger Verdichtung und offenem Kreisprozeß sowie (andeutungsweise) mit einem Wärmetauscher für einen geschlossenen Kreisprozeß Abb. 2 das zu Abb.1 gehörende Temperatur-Entropie-Diagr. (T,s-Diagr.) für die 2-stufige Kompressoranlage Abb. 3 das zu Abb.1 gehörende T,s-Diagramm für die rxpansionsmaschine Abb. 4 das zu Abb.1 gehörende Druck-Volumen-Diagramm (P,v-Diagr.) für die 2-stufige Kompressoranlage Abb. 5 das zu Abb.1 gehörende P,v-Diagramm für die Expansionsmaschine Abb. 6 ein Ausführungsbeispiel mit offenem Kreisprozeß gemäß dem Prinzipbild nach Abb.1 Abb. 7 ein Ausführungsbeispiel mit geschlossenem Kreisprozeß gemäß dem Prinzipbild nach Abb.l Abb. 3 ein Prinzipbild der Wärmekraftanlage wie der offen betriebene Kreisprozeß gemäß Abb.l, jedoch mit anderen Betriebsdaten.Two embodiments of the invention are shown in the drawings and are described in more detail below. Fig. 1 shows the basic diagram of the Thermal power plant with 2-stage compression and open cycle process as well as (hinted at) with a heat exchanger for a closed cycle process Fig. 2 that of Fig.1 associated temperature-entropy-diagr. (T, s diagram) for the 2-stage compressor system Fig. 3 the T, s diagram for the expansion machine belonging to Fig. 1 Fig. 4 the Pressure-volume diagram (P, v-Diagr.) for the 2-stage compressor system belonging to Fig.1 Fig. 5 shows the P, v diagram for the expansion machine Fig. 6, which belongs to Fig. 1 Embodiment with an open cycle according to the principle diagram according to Fig. 1 Fig. 7 shows an exemplary embodiment with a closed cycle process according to the principle diagram Fig.l Fig. 3 a schematic diagram of the thermal power plant and the openly operated cycle according to Fig. 1, but with different operating data.
Abb. 9 desgl. wie Abb.8, jedoch in 3-stufiger Ausführung Abb.10 Arbeitsprinzip einer bisher üblichen Wärmekraftmaschine als Nachweis für die'Unmöglichkeit zur Nutzung von Umweltwärmes Abb. 10.1, 10.2, 10.3 P,v-Diagramme für das Arbeitsprinzip nach Abb.10.Fig. 9 the same as Fig.8, but in a 3-stage design Fig.10 Working principle a previously common heat engine as evidence of the impossibility to Use of environmental heat Fig. 10.1, 10.2, 10.3 P, v diagrams for the working principle according to Fig.10.
Beschreibungen Das grundsätzliche Prinzipschaltbild der Wärmekraftanlage ist in Ab5.1 für einen über die Atmosphäre offen betriebenen Kreisprozeß als auch - strichpunktiert angedeutet - für einen in sich unmittelbar geschlossenen Kreisprozeß (mit einem Wärmetauscher) dargestellt. Die Wärme kraft anlage besteht aus den beiden Kompressoren kl und k2 für die zweistufige Verdichtung, dem Zwischenkühler, der Zweistoffdüse zur Aufnahme und Mischung der von außen oder über den Wärmetauscher angesaugten Zuluft und Beiluft bezw. Arbeitsstoffgas, sowie einer der Zweistoffdüse nachgeschalteten Expansionsmaschine, die beim vorliegenden Arbeitsstoff (Luft beim offenen, Helium oder Druckluft beim geschlossenen Kreisprozeß) eine normale Gasturbine sein kann. Um die Wärmekraftanlage (Gasturbine plus Kompressoren) in Betrieb zu setzen, muß sie zuvor mittels eines Starter-Motors (hier nicht dargestellt) "angeworfen" werden.Descriptions The basic circuit diagram of the thermal power plant is in Ab5.1 for a cycle operated openly via the atmosphere as well - indicated by dash-dotted lines - for a directly closed cycle (with a heat exchanger) shown. The thermal power plant consists of the two Compressors kl and k2 for two-stage compression, the intercooler, the Two-substance nozzle for receiving and mixing the from outside or via the heat exchanger sucked in supply air and bypass air respectively. Working substance gas, as well as one of the Two-substance nozzle downstream expansion machine, which with the present working material (air with open, helium or compressed air in the closed cycle process) a normal gas turbine can be. To keep the thermal power plant (gas turbine plus compressors) in operation set, it must first be "started" by means of a starter motor (not shown here) will.
Um ein möglichst anschauliches Bild von den Betriebsverhältnissen zu erlangen wurde die Wärmekraftanlage für verschiedene, möglichst praxisnahe Betriebszustände thermodynamisch durchgerechnet. Die gewählten und berechneten Zustandswerte sind an entsprechender Stelle in Abb.l eingetragen. Die zugehörigen T,s- und P,v-Diagramme sind für die Kompressoren und die Turbinen jeweils getrennt dargestellt. So zeigt Abb. 2 und 4 den Zustandsverlauf bei einer 2-stufigen Verdichtung im T,s- und P,v-Diagramm und Abb. 3 und 5 den entsprechenden Zustandsverlauf für die Expansionsmaschine bezw. Gasturbine.To get as clear a picture as possible of the operating conditions The thermal power plant was to be obtained for various operating states that were as practical as possible calculated thermodynamically. The selected and calculated state values are entered at the corresponding point in Fig. 1. The associated T, s and P, v diagrams are shown separately for the compressors and the turbines. So shows Fig. 2 and 4 show the progression of the state with a 2-stage compression in the T, s and P, v diagram and Fig. 3 and 5, respectively, the corresponding progression of the state for the expansion machine. Gas turbine.
Es wurde eine 2-stufige Verdichtung mit Zwischenkühlung gewählt, weil man neben der Nutzung der Zwischenkühl-Abwärme auch wesentlich an Verdichtungsarbeit bei der Bereitstellung des benötigten Druckpotentials einsparen kann und somit (gegenüber einer einstufigen Verdichtung) die Wärmekraftanlage mit wesentlich größerem Nutzeffekt, und damit wirtschaftlicher betreiben kann als Anlagen mit nur einstufiger Verdichtung. Eine solche Arbeitsersparnis ist in Abb. 2 und 4 angegeben; sie umschließt die Wärme- bezw. Arbeitsfläche 2-3-4-(4).A 2-stage compression with intermediate cooling was chosen because In addition to using the intercooling waste heat, there is also a significant amount of compression work can save in the provision of the required printing potential and thus (compared to a single-stage compression) the thermal power plant with significantly greater efficiency, and can therefore operate more economically than systems with only single-stage compression. Such a saving in labor is shown in Figs. 2 and 4; it encloses the heat respectively Work surface 2-3-4- (4).
Mit Abb. 6 und 7 ist nochmals die in Abb. 1 dargestellte Wärmekraftanlage gezeigt, hier jedoch in praxisnäherer Darstellungsweise und bei jeweils separatem Betrieb; es zeigt Abb. 6 die offene und Abb. 7 die geschlossene Betriebsweise mit Wärmetauscher.With Fig. 6 and 7 is the thermal power plant shown in Fig. 1 again shown, but here in a more practical representation and each separately Operation; Fig. 6 shows the open and Fig. 7 the closed mode of operation Heat exchanger.
Die Betriebsdaten sind für Abb. 6 die gleichen wie für Abb. 1. Die Anlage nach Abb. 7 kann, da sie mit geschlossenem Kreisprozeß arbeitet, mit wesentlich höherem Grunddruck (= Expansionsenddruck) betrieben werden. Dies hat gegenüber der offenen Betriebsweise den großen Vorteil, daß man mit demselben Arbeitsstoff-Durchsatz (und somit bei gleicher Leistung) die gesamte Wärmekraftanlage (Maschinen, Rohrleitungen, Zweistoffdüse usw.) wesentlich kleiner dimensionieren und damit kostengünstiger herstellen kann als offen betriebene Anlagen bei atmosphärischem Grunddruck.The operating data for Fig. 6 are the same as for Fig. 1. The Plant according to Fig. 7, since it works with a closed cycle process, can significantly higher basic pressure (= final expansion pressure). This has compared to the open mode of operation has the great advantage that you can use the same working material throughput (and thus with the same output) the entire thermal power plant (machines, pipelines, Two-substance nozzle, etc.) dimensioned significantly smaller and thus more cost-effective can produce as openly operated systems at basic atmospheric pressure.
Mit Abb. 8 ist ebenfalls (wie mit Abb. 1) eine offen betriebene Wärmekraftanlage gezeigt, jedoch mit anderen Betriebsdaten durchgerechnet.Fig. 8 also shows (as with Fig. 1) an openly operated thermal power plant shown, but calculated with different operating data.
So wurden, wie ersichtlich, die Druckverhältnisse an K1 und K2 auf 1/5 erhöht (in Abb. 1,6 und 7 wurde ein Druckverhältnis von 1/3 gewählt). Ebenfalls wurde die Zwischenkühlung im Zustandspunkt 3 für die 2. Verdichterstufe auf 20 0C angehoben, was in der Praxis durch den Wärmeabfall bei der Zwischenkühlung bedingt ist. Dies erfordert für den Verdichter K2 zwar eine höhere Antriebsarbeit (von 152,7 kJ/kg auf 163,9 kJ/kg), doch der Zuwachs an effektiver Nutzarbeit infolge Erhöhung der Druckverhältnisse übersteigt diesen Arbeits-Mehraufwand, so daß insgesamt ein höherer Arbeitswirkungsgrad erreicht wurde. Der theoretisch erreichbare "Arbeitswirkungsgrad" gemäß der Gleichung 2 ergibt sich somit bei der nach Abb. 8 dargestellten und zugrundeliegenden Betriebsdaten und der sogenannte "effektive Arbeitswirkungsgrad" nach Gleichung 3 Die obige Maßnahme brachte somit eine rhöhung um (36,6 - 31,6) = 5.As can be seen, the pressure ratios at K1 and K2 were increased to 1/5 (a pressure ratio of 1/3 was selected in Figs. 1, 6 and 7). The intermediate cooling in state point 3 for the 2nd compressor stage was also increased to 20 ° C, which in practice is due to the heat loss during intermediate cooling. Although this requires a higher drive work for the compressor K2 (from 152.7 kJ / kg to 163.9 kJ / kg), the increase in effective useful work as a result of the increase in the pressure ratios exceeds this additional work, so that overall a higher work efficiency is achieved became. The theoretically achievable "working efficiency" according to equation 2 thus results from the operating data shown in Fig. 8 and on which it is based and the so-called "effective work efficiency" according to equation 3 The above measure brought an increase of (36.6 - 31.6) = 5.
Der praktisch erreichbare Arbeitswirkungsgrad dürfte nach Abzug der mechanischen Reibungsverluste bei größeren Anlagen bei 35 °k liegen.The practically achievable work efficiency should be after deduction of the mechanical friction losses in larger systems are 35 ° k.
Mit einer 3-stufigen Kompressoranlage würde man ca. 80 % erreichen (Abb.9).A 3-stage compressor system would achieve approx. 80% (Fig.9).
Für die Berechnung der theoretischen Verdichtungsarbeit für t kg Gas wurde für die gezeigten Beispiele die allgemeine Arbeitsgleichung (S.98, Techn. For the calculation of the theoretical compression work for t kg of gas, the general working equation (p.98, Techn.
benutzt, wobei die spezielle Gaskonstante für Luft mit Ri = 287 kg K oder 287 J in die Gleichung eingesetzt wurde.used, with the special gas constant for air with Ri = 287 kg K or 287 J was substituted into the equation.
kg K Da für die Zweistoffdüse ein Mischungsverhältnis von 1 : 1 gewählt wurde, d. h. je 1 kg Zu- und Beiluft aus beiden Arbeitsstoffzweigen anfällt, muß zur Berechnung der Turbinenarbeit obige Gleichung noch mit dem Faktor 2 multipliziert werden. In der Turbine werden somit 2 kg Arbeitsstoff, das Mischprodukt, in Arbeitsleistung umgesetzt. kg K Since a mixing ratio of 1: 1 has been selected for the two-substance nozzle was, d. H. 1 kg of incoming and outgoing air from both branches of the working substance must be used To calculate the turbine work, the above equation is multiplied by a factor of 2 will. In the turbine are thus 2 kg working substance, the mixed product, translated into work performance.
Bei einer 3-stufigen Ausführung (Abb. 9) werden entspr. 3 kg umgesetzt.In the case of a 3-stage version (Fig. 9), the equivalent of 3 kg is transferred.
Die Endtemperaturen wurden mit der allgemeinen Gleichung ermittelt.The final temperatures were given using the general equation determined.
Die Mischtemperatur an der Zweistoffdüse wurde mit der allgemeinen Mischgleichung für Gase berechnet Da die Mischmengen (m1 = m2) und die spezifischen Wärmen (c1 = c2) im vorliegenden Falle von gleicher Größe sind, ergibt sich die Mischtemperatur in der vereinfachten Form zu Der Polytropenfaktor n wurde bei allen angegebenen Betriebs fällen (Verdichtung und Entspannung über Maschinen) mit n = 1,3 in die Gleichungen eingesetzt.The mixing temperature at the two-substance nozzle was calculated using the general mixing equation for gases Since the mixed quantities (m1 = m2) and the specific heats (c1 = c2) are of the same size in the present case, the mixed temperature results in the simplified form of The polytropic factor n was used in all specified operating cases (compression and expansion via machines) with n = 1.3 in the equations.
Die Strömungsverluste wurden durch Wahl eines gegenüber dem Ansaugdruck entsprechend erhöhten Enddrucks am Turbinenausgang berücksichtigt.The flow losses were determined by choosing one versus the suction pressure correspondingly increased final pressure at the turbine outlet is taken into account.
Hiermit wurde im Einvernehmen mit dem 1. und 2. Hauptsatz der Thermodynamik nachgewiesen, daß es mittels eines sog. 'zweikreisigen Wärmekraftmaschinenprozessestt, gemäß der Erfindung, möglich ist aus einem auf dem Temperaturniveau der Umwelt stehenden, in sich ausgeglichenen Wärmereservoir mechanische Arbeit zu gewinnen und dieses dafür entsprechend abzukühlen. Mit den heute üblichen, sog. "einkreisigen Wärmekraftmaschinenprozessen" ist dies grundsätzlich nicht möglich: Man könnte bestenfalls nur bis zur Eingangstemperatur bei Umgebungsdruck entspannen und die dabei erhaltene Arbeit wäre höchst falls nur die der aufgewendeten Kompressorarbeit. Eine Differenzarbeit, die als Nutzarbeit abgeführt werden könnte, träte nicht auf (Abb.1O, lo.l-1^.}).This was in agreement with the 1st and 2nd law of thermodynamics proven that it is tested by means of a so-called 'two-circuit heat engine process, according to the invention, is possible from a standing at the temperature level of the environment, to gain mechanical work in itself balanced heat reservoir and this to cool down accordingly. With the so-called "single-circuit heat engine processes" that are common today this is basically not possible: At best, you could only go up to the inlet temperature relax at ambient pressure and the work obtained would be most if only that of the compressor work used. A differential work that as useful work could be carried away would not occur (Fig.1O, lo.l-1 ^.}).
Berechnungen zu den Ausführungen Abb. 1-6 Berechnungen zu der Ausführung Abb. 7 Berechnungen zu der Ausführung Abb. 8 Berechnungen zu der Ausführung Abb. 9 (3-stufig) Berechnungen zu der Ausführung Abb. lq, 10.1, 10.2 und 10.3 Nachweis für die'Unmöglichkeit zur Nutzung von Umweltwärme mit dem bisher üblichen Arbeitsprinzip bei Wärmekraftmaschinen. Maximale Arbeit bei "einkreisiger" Betriebsweise, 2-stufige Verdichtung, ohne Zwischenkühlung: Calculations for the designs in Fig. 1-6 Calculations for the execution Fig. 7 Calculations for the execution Fig. 8 Calculations for the execution Fig. 9 (3-stage) Calculations for the execution Fig. Lq, 10.1, 10.2 and 10.3 Evidence for the impossibility of using environmental heat with the previously common working principle for heat engines. Maximum work with "single-circuit" mode of operation, 2-stage compression, without intermediate cooling:
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