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DE10052993A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie

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DE10052993A1
DE10052993A1 DE2000152993 DE10052993A DE10052993A1 DE 10052993 A1 DE10052993 A1 DE 10052993A1 DE 2000152993 DE2000152993 DE 2000152993 DE 10052993 A DE10052993 A DE 10052993A DE 10052993 A1 DE10052993 A1 DE 10052993A1
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Germany
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working medium
heat engine
heat
working
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DE2000152993
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Inventor
Bernhard Schaeffer
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DOEKOWA GES ZUR ENTWICKLUNG DE
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DOEKOWA GES ZUR ENTWICKLUNG DE
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/06—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using mixtures of different fluids

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Wärmekraftmaschine zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie, wobei die Wärmekraftmaschine mit einem Kreisprozeß arbeitet, bei welchem ein Arbeitsmedium abwechselnd eine Kompressionsphase und eine Expansionsphase durchläuft. Der Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine wird erhöht, indem das Arbeitsmedium während der thermischen Kompression im wesentlichen vollständig verflüssigt wird. Als Arbeitsmedium kann ein Mehrstoffgemisch verwendet werden, beispielsweise ein Gemisch aus Wasser und Benzol oder Benzin.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Wärmekraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11, des Anspruchs 20 bzw. des Anspruchs 21.
Solche Verfahren bzw. Wärmekraftmaschinen setzen zugeführte Wärmeenergie in Arbeit um. Der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine ist definiert als das Verhältnis von geleisteter Arbeit A zu zugeführter Wärmeenergie Qzu,
η = A/Qzu (1)
Bei einem idealisierten Kreisprozeß ohne Verluste, beispielsweise nach Carnot, läßt sich zeigen, daß
η = A/Qzu = (Qzu-Qab)/Qzu,
wobei Qab die abgeführte Wärmeenergie ist.
Zugrundeliegender Stand der Technik
Solche Wärmekraftmaschinen sind beispielsweise als sogenannte Heißluftmaschinen allgemein bekannt und in vielen Lehrbücher der Thermodynamik beschrieben, beispiels­ weise "Thermodynamik" von E. Schmidt, 9. Auflage, Springer-Verlag 1962, S. 132-138. Zwei Kolbenmaschinen (oder Turbomaschinen) sind über ein Leitungssystem mit zwei Wärmetauschern miteinander verbunden. In den Kolbenmaschinen, das Leitungssystem und die Wärmetauscher befindet sich Luft als Arbeitsmedium. Je nach Aufbau der Heißluftmaschine kann das Arbeitsmedium verschiedene Prozesse durchlaufen. Beispielsweise kann die Kompression und Expansion adiabatisch (Joule-Prozeß) oder isotherm (Ericson-Prozeß) verlaufen. In der Praxis sind solche idealisierte Prozesse jedoch nur annähernd durchführbar.
In mehreren verschiedenen Druckschriften sind Wärmekraftmaschinen offenbart, durch welche der Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine verbessert werden soll:
Die DE 41 01 500 A1 offenbart eine mit einem Kreisprozeß arbeitende Wärmekraftmaschine mit einer Zylinderkammer, die durch einen Kolben begrenzt ist. In der Zylinderkammer ist eine Menge einer verdampfbaren Flüssigkeit als Arbeitsmedium bei einer Ausgangstemperatur vorgesehen. In einer ersten Arbeitsphase vergrößert sich das Volumen der Zylinderkammer von einem inneren Totpunkt durch Auswärtsbewegung des Kolbens bis zu einem äußeren Totpunkt. Im unteren Totpunkt wird die Bewegung des Kolbens für eine vorgegebene Zeitspanne angehalten. Dadurch wird eine Kondensation des unterkühlten Dampfes der Flüssigkeit eingeleitet. Dies führt zu einem plötzlichen Druckabfall. In einer zweiten Arbeitsphase wird dann der Kolben zum inneren Totpunkt bewegt. Das abgekühlte Kondensat wird mittels eines Wärmetauschers auf die Ausgangstemperatur erwärmt. Bei der DE 41 01 500 A1 besteht das Arbeitsmedium nur aus einer Komponente.
Durch die DE 42 44 016 C2 ist eine Wärmekraftmaschine der eingangs genannten Art bekannt, bei welcher das Arbeitsmedium ein Zweistoffgemisch aus Stickstoff und Butan ist. Die Wärmekraftmaschine besteht aus einem auf einer Temperatur von 104,5°C gehaltenen Kessel und einem mit dem Kessel und einem im Kessel angeordneten Wärmetauscher verbundenen Zylinder, welcher von einem Kolben abgeschlossen ist. Das Verhältnis der Konzentrationen von Stickstoff und Butan sowie die Ausgangstemperatur (Kesseltemperatur) werden dabei so gewählt, daß das Zweistoffgemisch bei der Ausgangstemperatur im Bereich der retrograden Kondensation und die Ausgangstemperatur zwischen den kritischen Temperaturen von Stickstoff und Butan liegt. Durch Verwendung eines solchen Zweistoffgemisches soll der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine verbessert werden. Dies wird dadurch erreicht, daß die Expansion des Volumens des Zweistoffgemisches im Bereich der retrograden Kondensation so schnell erfolgt, daß die Kondensatbildung verzögert wird. Im äußeren Totpunkt des Kolbens geht das System aus diesem instabilen Zustand in den Gleichgewichtszustand über. Durch ein dabei auftretendes, besonderes Verhalten des Zweistoffgemisches (Abknickung der Isobaren an der Phasengrenze), ist dies ist mit einem Druckabfall verbunden. Dies erhöht die geleistete Arbeit bei gegebener Wärmezufuhr und verbessert also den Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine.
Durch die US-A-4 242 870 ist ebenfalls eine Wärmekraftmaschine der eingangs genannten Art bekannt. Diese Druckschrift befaßt sich mit dem Problem des durch die Verdampfungseigenschaften des Arbeitsmediums auftretenden, ineffizienten Ausnutzens der Wärme des Wassers beim Wärmeaustausch in einem Wärmetauscher. Um die Wärme des wärmenden Wassers so effektiv wie möglich zu nutzen, sollte die Temperaturdifferenz zwischen dem wärmenden Wasser und dem Arbeitsmedium in jedem Punkt des Wärmetauschers möglichst konstant sein. Dies kann durch ein Zweistoffgemisch erreicht werden, bei welchem die chemischen Komponenten so gewählt und gemischt werden, daß die Mischung keine konstante Siedetemperatur aufweist, sondern vielmehr über einen gewünschten Bereich von steigender Temperatur verdampft. Dabei ist es wichtig, daß das Zweistoffgemisch ein bestimmtes Verhalten im T-H-Diagramm bei der Erwärmung in dem Wärmetauscher zeigt. Es wird gezeigt, daß ein Zweistoffgemisch aus 35 Mol% Isobutan in Propan diese Bedingungen erfüllt.
Durch die CH-A-237 849 ist ebenfalls eine Wärmekraftmaschine der eingangs genannten Art bekannt. Es ist dort gefunden worden, daß die Verwendung von Helium in Kombination mit einem weiteren Gas als Arbeitsmedium günstig ist. Dabei wird als Auswahlkriterium für das weitere Gas angegeben, daß das mittlere Molekulargewicht des Gasgemisches zwischen minimal 5 und maximal 15 und dessen Schallgeschwindigkeit bei Normaltemperatur zwischen 500 m/s und 900 m/s liegen soll.
Die DE 198 04 845 A1 offenbart ein Verfahren der eingangs genannten Art. Dabei wird ein Kreisprozeß beschrieben, bei welchem eine direkte Umwandlung thermischer Energie in mechanische Energie ohne Wärmeabgabe nach außen erfolgen soll. Als Arbeitsmedium wird ein Mehrstoffgemisch verwendet, das unter bestimmten Bedingungen eine retrograde Kondensation zeigt. Das Arbeitsmedium expandiert im Gebiet der retrograden Kondensation unter Arbeitsleistung. Nach der Entspannung erfolgt eine Trennung der Phasen, wobei die Rückführung der Dampfphase über Verdichtung und die Rückführung der flüssigen Phase durch Pumpenförderung auf den Ausgangsdruck durchgeführt wird. Im Verlauf der Rückvermischung wird thermische Energie zugeführt. Als Mehrstoffgemisch wird eine Mischung aus Butan und Stickstoff oder Kohlendioxid und Stickstoff angegeben. Die DE 196 08 300 offenbart ein ähnliches Verfahren, wobei jedoch eine Wärmeabgabe nach außen erfolgt.
Die Eigenschaften von Mehrstoffgemischen sind beispielsweise beschrieben in einem Buch von Stephan und Mayinger "Thermodynamik Grundlagen und technische Anwendungen", 11. Auflage, Band 2, Springer-Verlag, insbesondere S. 59-67.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad eines Verfahrens bzw. einer Wärmekraftmaschine der eingangs genannten Art zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe jeweils durch die im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1, 11, 20 bzw. 21 aufgeführten Merkmale gelöst.
Bei Wärmekraftmaschinen der hier vorliegenden Art wird dem Arbeitsmedium in verschiedenen Teilbereichen des Kreisprozesses Wärme zu- und abgeführt. Dabei kann ein Teil der in einem Teilbereich des Kreisprozesses abzuführenden Wärme wieder in einem anderen Teilbereich des Kreisprozesses zugeführt werden, d. h. diese abzuführende Wärme geht nicht verloren, sondern bleibt intern in dem System. Für den Wirkungsgrad ist es dann natürlich günstig, wenn diese interne Wärme möglichst groß und die abgeführte Wärme möglichst klein gehalten werden kann (s. Gl. 2).
Durch eine Verflüssigung des Arbeitsmediums während der adiabatischen Expansion und/oder während der thermischen Kompression ist es möglich, solche günstige Bedingungen zu erzielen. Der in diesen Phasen verflüssigte Teil des Arbeitsmediums wird dann adiabatisch komprimiert, wobei weder das Volumen noch die Temperatur des flüssigen Teil des Arbeitsmediums dabei wesentlich verändert wird.
Besonders günstige Bedingungen können erreicht werden, wenn der flüssige Teil des Arbeitsmediums von dem gasförmigen Teil des Arbeitsmediums unmittelbar nach der adiabatischen Expansion und/oder während der thermischen Kompression getrennt wird. Der flüssige Teil wird kann dann adiabatisch durch eine Speisepumpe komprimiert werden, ohne dabei gleichzeitig den gasförmigen Teil zu komprimieren. Da das dann flüssige Arbeitsmedium während der anschließenden Druckerhöhung (wegen der Inkompressibilität von Flüssigkeiten) nicht komprimiert wird und auch keine Temperaturerhöhung erfährt, ist es möglich, einen größeren Teil der dem Arbeitsmedium zu entziehenden Wärme dem System wieder zuzuführen.
Weiterhin ist es günstig, wenn das Arbeitsmedium in der Kompressionsphase vollständig verflüssigt wird, und zwar nach der thermischen Kompression und vor der adiabatischen Druckerhöhung.
Bei einer Kraftmaschine der eingangs erwähnten Art kann die Verflüssigung des Arbeitsmediums durch Verwendung eines Mehrstoffgemisches erreicht werden. Mehrstoffgemische haben gegenüber Monostoffen u. a. den Vorteil, daß sie mehr Freiheitsgrade haben. Dies ergibt sich aus der bekannten Gibbsschen Phasenregel, wonach die Anzahl der Freiheitsgrade mit der Anzahl der Komponenten des Mehrstoffgemisches steigt. Durch dieses Verhalten ist die Temperatur des Arbeitsmediums nicht wie bei Monostoffen bei vorgegebenem Druck und Volumen festgelegt. Durch diese Tatsache ist es u. a. möglich, während der adiabatischen Expansion einen geringen Temperaturabfall des Arbeitsmediums zu erzielen. Dies ist ein entscheidender Aspekt der Erfindung und wird später ausführlicher erklärt.
Die im wesentlichen vollständige Verflüssigung des Arbeitsmediums vor der Expansionsphase erfolgt also durch geeignete Wahl des Arbeitsmediums, des Arbeitsdruckbereichs und des Arbeitstemperaturbereichs der Wärmekraftmaschine. Dabei ist es günstig, das Arbeitsmedium so zu wählen, daß der Arbeitsdruckbereich und der Arbeitstemperaturbereich in dem bei Wärmekraftmaschinen üblichen Rahmen liegen. Zu niedrige oder zu hohe Drücke bzw. Temperaturen setzen nämlich sehr aufwendige apparative Maßnahmen voraus.
Es hat sich experimentell gezeigt, daß es Mehrstoffgemische gibt, welche dies erlauben. Die Stoffauswahl des Mehrstoffgemisches erfolgt vorzugsweise so, daß die Siedepunkte der einzelnen Stoffe des Mehrstoffgemisches innerhalb des Temperatur- und Druckbereichs der arbeitenden Wärmekraftmaschine liegen. Dies ermöglicht die vollständige Verflüssigung des Arbeitsmediums während der thermischen Expansion. Die Stoffauswahl des Mehrstoffgemisches kann jedoch auch so erfolgen, daß die Mischung endotherm ist, d. h. die Mischungsenthalpie ist positiv bei einer gegebenen Phase der Stoffe.
Solche Verhalten zeigt beispielsweise ein Mehrstoffgemisch aus Wasser und Benzin bzw. Benzol in einem Mischungsverhältnis von ungefähr 10-30 Gew.-% Wasser und 70- 90 Gew.-% Benzin bzw. Benzol oder ein Mehrstoffgemisch aus Wasser und Butan in einem Mischungsverhältnis von ungefähr 5-10 Gew.-% Wasser und 90-95 Gew.-% Butan.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung und zeigt eine Wärmekraftmaschine der hier vorliegenden Art.
Fig. 2 zeigt in einem p-V-Diagramm die Zustandsänderungen des Arbeitsmediums bei einem Kreisprozeß in einer Wärmekraftmaschine nach dem Stand der Technik.
Fig. 3 zeigt in einem T-S-Diagramm die Zustandsänderungen des Arbeitsmediums bei einem Kreisprozeß in einer Wärmekraftmaschine nach dem Stand der Technik.
Fig. 4 zeigt in einem p-V-Diagramm die Zustandsänderungen des Arbeitsmediums bei einem Kreisprozeß in einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine.
Fig. 5 zeigt in einem T-S-Diagramm die Zustandsänderungen des Arbeitsmediums bei einem Kreisprozeß in einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine.
Vergleich der Erfindung mit dem Stand der Technik
Anhand von Fig. 1 soll die Wirkungsweise eines Ausführungsbeispiels einer Wärmekraftmaschine beschrieben werden. Eine erste Turbine ist mit 10 und eine zweite Turbine mit 12 bezeichnet. Durch die beiden Turbinen 10 und 12 streckt sich eine Welle 14. An der Welle 14 kann beispielsweise ein (nicht gezeigter) Generator zur Stromerzeugung angeschlossen sein. Dabei befindet sich die erste Turbine 10 an der sogenannten kalten Seite und die zweite Turbine 12 an der sogenannten warmen Seite der Wärmekraftmaschine.
Die beiden Turbinen 10 und 12 sind über ein Leitungssystem miteinander verbunden. Eine erste Leitung 16 verbindet die erste Turbine 10 mit dem Eingang der kalten Seite eines ersten Wärmetauschers 18. Der Ausgang der warmen Seite des ersten Wärmetauschers 18 ist über eine Leitung 20 mit dem Eingang der kalten Seite eines zweiten Wärmetauschers 22 verbunden. Der Ausgang der warmen Seite des zweiten Wärmetauschers 22 ist über eine Leitung 24 mit der zweiten Turbine 12 verbunden. Eine Leitung 26 verbindet die zweite Turbine 12 mit dem Eingang der warmen Seite des ersten Wärmetauschers 18. Der Ausgang der kalten Seite des ersten Wärmetauschers 18 ist über eine Leitung 20 mit dem Eingang der warmen Seite eines dritten Wärmetauschers 30 verbunden. Der Ausgang der kalten Seite des dritten Wärmetauschers 30 ist über eine Leitung 32 mit der ersten Turbine 10 verbunden. Dieses System bildet ein geschlossenes System, in welchem das Arbeitsmedium der Wärmekraftmaschine eingeschlossen ist. Das Arbeitsmedium fließt in Richtung der Pfeile in Fig. 1.
Der Eingang der warmen Seite und der Ausgang der kalten Seite des zweiten Wärmetauschers 22 sind über Leitungen 34 und 36 mit einem ersten Kessel 38 verbunden. Der Eingang der kalten Seite und der Ausgang der warmen Seite des dritten Wärmetauschers 30 sind über Leitungen 40 und 42 mit einem zweiten Kessel 44 verbunden. Der erste Kessel 38 wird auf eine Temperatur T2 gehalten. Der zweite Kessel 44 wird auf eine Temperatur T4 gehalten, wobei T2 < T4 ist.
Das Arbeitsmedium wird in der ersten Turbine 10 auf den Druck p1 komprimiert. Es fließt dann über die Leitung 16 in den ersten Wärmetauscher 18. Hier wird das Arbeitsmedium von der Temperatur T1 auf eine Temperatur Tw erwärmt. Dies erfolgt im Gegenstromverfahren durch gleichzeitige Abkühlung des von der zweiten Turbine 12 kommenden Arbeitsmediums. Das Arbeitsmedium fließt dann weiter über die Leitung 20 in den zweiten Wärmetauscher 22. Hier wird das Arbeitsmedium von der Temperatur Tw auf die Temperatur T2 erwärmt. Dies erfolgt im Gegenstromverfahren durch gleichzeitige Abkühlung des von dem ersten Kessel 38 kommenden Mediums. In der zweiten Turbine 12 wird das Arbeitsmedium dann entspannt, wodurch Arbeit geleistet wird. Das Arbeitsmedium verläßt die zweite Turbine 12 unter dem Druck p3 und mit der Temperatur T3. Es fließt über die Leitung 26 in den ersten Wärmetauscher 18 und wird hier auf eine Temperatur Tk abgekühlt. Das Arbeitsmedium fließt dann weiter über die Leitung 28 in den dritten Wärmetauscher 30. Hier wird das Arbeitsmedium von der Temperatur Tk auf die Temperatur T4 abgekühlt. Dies erfolgt im Gegenstromverfahren durch gleichzeitige Erwärmung des von dem zweiten Kessel 44 kommenden Mediums. Durch den ersten Wärmetauscher 18 ist es nicht möglich, das Arbeitsmedium aus der Leitung 16 auf die Temperatur T2 des Arbeitsmediums aus der Leitung 26 zu erwärmen oder das Arbeitsmedium aus der Leitung 26 auf die Temperatur T1 des Arbeitsmediums aus der Leitung 16 abzukühlen. Es gilt also immer T2 < Tw < Tk < T1.
In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel arbeitet die erste Turbine 10 als Verdichter und die zweite Turbine 12 als Maschine. Über die Welle 14 wird die Turbine 10 von der Turbine 12 angetrieben. Es sei erwähnt, daß nicht nur Turbinen verwendet werden können, sondern beispielsweise auch Kolbenmaschinen. Weiterhin sei erwähnt, daß die hier beschriebene Wärmekraftmaschine nach dem sogenannten Joule-Prozeß arbeitet. Die Erfindung ist aber nicht beschränkt auf Wärmekraftmaschinen, welche nach diesem Arbeitsdiagramm arbeiten, sondern findet für alle Wärmekraftmaschinen Anwendung.
Die soweit bzgl. Fig. 1 beschreibe Wärmekraftmaschine entspricht dem Stand der Technik, kann jedoch auch bei den unten beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung eingesetzt werden. Zur besseren Klarstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung soll der Ablauf eines Kreisprozesses nach dem Stand der Technik mit dem erfindungsgemäßen Ablauf des Kreisprozesses verglichen werden. Fig. 2 und 3 zeigen die Zustandsänderungen des Arbeitsmediums bei einem Kreisprozeß in einer Wärmekraftmaschine nach dem Stand der Technik, während Fig. 4 und 5 die Zustandsänderungen des Arbeitsmediums bei einem Kreisprozeß in einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine zeigen.
Das Arbeitsmedium verläßt die erste Turbine 10 unter einem Druck p1 und mit einer Temperatur T1. Dies entspricht dem Punkt I in Fig. 2-5. In einer ersten Arbeitsphase wird das Arbeitsmedium annähernd isobar (p1 = p2) von der Temperatur T1 auf eine Temperatur T2 erwärmt, wobei das Volumen des Arbeitsmediums von einem Volumen V1 auf einem Volumen V2 zunimmt. Dabei wird in dem ersten Wärmetauscher 18 die Temperatur des Arbeitsmediums von T1 auf Tw und in dem zweiten Wärmetauscher 22 Tw auf T2 erhöht.
In einer zweiten Arbeitsphase wird das Arbeitsmedium annähernd adiabatisch von dem Druck p2 auf einem Druck p3 entspannt und von dem Volumen V2 auf einem Volumen V3 expandiert, wobei die Temperatur von der Temperatur T2 auf die Temperatur T3 abnimmt.
In einer dritten Arbeitsphase wird das Arbeitsmedium annähernd isobar (p3 = p4) von der Temperatur T3 auf die Temperatur T4 abgekühlt, wobei das Volumen des Arbeits­ mediums von dem Volumen V3 auf einem Volumen V4 abnimmt.
In einer vierten Arbeitsphase wird das Arbeitsmedium annähernd adiabatisch unter Druck gesetzt, so daß sich der Druck von p4 auf p1 steigt. Bei dem Kreisprozeß nach dem Stand der Technik (Fig. 2 und 3) wird das Arbeitsmedium erst im Punkt I vollständig verflüssigt. Dies führt dazu, daß das dann gas- oder dampfförmige Arbeitsmedium bei der Druckerhöhung von p4 (Punkt IV) auf P1 (Punkt I) komprimiert wird, wobei dich das Volumen ändert (von V4 auf V1) und wodurch die Temperatur des Arbeitsmediums steigt (von T4 auf T1). Dieser Anstieg der Temperatur wird in dem T-S-Diagramm in Fig. 3 sehr deutlich. Bei dem erfindungsgemäßen Kreisprozeß (Fig. 4 und 5) hingegen wird das Arbeitsmedium schon während der adiabatischen Expansion von Punkt II nach Punkt III und/oder während der thermischen Kompression von Punkt III nach Punkt IV verflüssigt und kann dann im Punkt IV sogar im wesentlichen vollständig verflüssigt sein. Dies führt dazu, daß das Arbeitsmedium bei der Druckerhöhung von Punkt IV auf Punkt I nicht komprimiert wird, so daß auch die Temperatur des Arbeitsmediums während dieser Druckerhöhung nicht oder nur unwesentlich steigt, d. h. T4 ≈ T1. Dies wird in dem T-S- Diagramm in Fig. 5 sehr deutlich, in welchem die Punkte I und IV dann zusammenfallen.
Weiterhin zeigen die bei der Erfindung verwendeten Mehrstoffgemische auch bei der adiabatischen Expansion ein günstiges Verhalten. Es hat sich nämlich gezeigt, daß die Temperatur dieser Mehrstoffgemische bei vorgegebener Drücken während der adiabatische Expansion weniger sinkt als bei sonstigen Stoffen, d. h. die Differenz T3 - T2 wird kleiner. Dieses Verhalten wird insbesondere bei endotherme Mischungen beobachtet. Bei solchen Mischungen kann der Druck- und Temperaturbereich so gewählt werden, daß das Arbeitsmedium während der adiabatischen Expansion teilweise verflüssigt wird. Auch dies erhöht die mögliche interne Wärmeübertragung mittels des Wärmetauschers 18 und wird durch einen Vergleich der Fig. 3 und 5 deutlich. Dabei kann erreicht werden, daß mehr als 30% des Arbeitsmediums nach der adiabatischen Expansion verflüssigt ist.
Durch einen Vergleich der Fig. 2 und 4 erkennt man weiterhin, daß die geleistete Arbeit ( = Fläche der geschlossenen Kurve) bei dem erfindungsgemäßen Kreisprozeß größer ist. Auch dies liegt daran, daß die übliche Verdichtung von Gas beim Übergang von p4 (Punkt IV) auf p1 (Punkt I) im wesentlichen entfällt, da keine oder nur eine unwesentliche Gasphase vorhanden ist.
Eine wesentliche Bedeutung der Erfindung stellt die kleine oder nicht vorhandene Temperaturdifferenz des Arbeitsmediums bei der Druckerhöhung dar. Diese Tatsache wird insbesondere durch einen Vergleich der beiden T-S-Diagramme der Fig. 3 und 5 deutlich, in welchen auch die Verlustwärme ΔTv der jeweiligen Wärmetauscher 18 und 30 (Fig. 1) angedeutet ist. Bei dem erfindungsgemäßen Prozeß kann die abgeführte Wärme Qab bzw. Tab sehr klein gehalten werden. Dadurch wird die Wärmemenge Qintern bzw. Tintern, welche durch den Wärmetauscher 18 (Fig. 1) innerhalb des Systems übertragen wird, sehr viel größer. Im Idealfall ist dann Qab bzw. Tab nicht von Stoffparametern abhängig, sondern entspricht lediglich der Verlustwärme ΔTv des Wärmetauschers 30 (Fig. 1) selbst.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Wie oben schon erwähnt, erfolgt die im wesentlichen vollständige Verflüssigung des Arbeitsmediums während der thermischen Kompression durch geeignete Wahl des Arbeitsmediums, des Arbeitsdruckbereichs und des Arbeitstemperaturbereichs der Wärmekraftmaschine.
In den hier dargestellten Ausführungsbeispielen wird als Arbeitsmedium ein Mehrstoffgemisch verwendet. In verschiedenen Experimenten hat es sich gezeigt, das Stoffgemische aus ca. 10-30 Gew.-% Wasser und 70-90 Gew.-% Benzin oder Benzol sehr günstige Bedingungen bzgl. Druck- und Temperaturbereich erlauben. Dabei kann nahezu jede Art von Benzin verwendet werden.
Im folgenden werden einige experimentell bestätigten Ausführungsbeispiele des Mehrstoffgemisches in Kombination mit den relevanten Druck- und Temperaturbereichen aufgeführt (vgl. Fig. 4 und 5):
  • 1. Ein Mehrstoffgemisch aus 26 Gew.-% Wasser und 74 Gew.-% Benzin (mit einem Siedebereich von ca. 40°C - 60°C) mit p1 = 7 bar, p3 = 2,3 bar, T2 = 150°C, T3 = 126°C und T4 = T1 = 90°C.
  • 2. Ein Mehrstoffgemisch aus 15 Gew.-% Wasser und 85 Gew.-% Benzin mit p1 = 5,5 bar, p3 = 2 bar, T2 = 130°C, T3 = 116°C und T4 = T1 = 70°C.
  • 3. Ein Mehrstoffgemisch aus 5-10 Gew.-% Wasser und 90-95 Gew.-% Butan mit p1 = 5 bar, p3 = 1,8 bar, T2 = 68°C, T3 = 52°C und T4 = T1 = 20°C.
Bei Verwendung von Benzol statt Benzin sind die Drücke vorzugsweise etwas höher zu wählen.

Claims (21)

1. Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie in einer mit einem Kreisprozeß arbeitenden Wärmekraftmaschine, bei welchem ein Arbeitsmedium abwechselnd eine Expansionsphase und eine Kompressionsphase durchläuft, wobei das Arbeitsmedium in der Expansionsphase zunächst thermisch und anschließend adiabatisch expandiert wird und in der Kompressionsphase zunächst thermisch komprimiert wird und anschließend eine adiabatische Druckerhöhung erfährt, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmedium während der adiabatischen Expansion und/oder während der thermischen Kompression verflüssigt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine im wesentlichen vollständige Verflüssigung des Arbeitsmediums in der Kompressionsphase nach der thermischen Kompression vor der adiabatischen Druckerhöhung.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Trennung des flüssigen Teils und des gasförmigen Teils des Arbeitsmediums nach der adiabatischen Expansion und/oder während der thermischen Kompression.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Mehrstoffgemisches als Arbeitsmedium.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Stoffe des Mehrstoffgemisches so ausgewählt werden, daß ihre Siedepunkte innerhalb des Temperatur- und Druckbereichs der arbeitenden Wärmekraftmaschine liegen.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Stoffe des Mehrstoffgemisches so ausgewählt werden, daß die Mischung endotherm ist.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Mehrstoffgemisch Wasser und Benzol enthält.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5-7, dadurch gekennzeichnet, daß das Mehrstoffgemisch Wasser und Benzin enthält.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Mehrstoffgemisch 10-30 Gew.-% Wasser und 70-90 Gew.-% Benzin enthält.
10. Verfahren nach Anspruch 5-8, dadurch gekennzeichnet, daß das Mehrstoffgemisch 5-10 Gew.-% Wasser und 90-95 Gew.-% Butan enthält.
11. Mit einem Kreisprozeß arbeitende Wärmekraftmaschine, enthaltend
  • a) einen abgeschlossenen Raum, in dem ein Arbeitsmedium eingeschlossen ist, welches abwechselnd eine Kompressionsphase und eine Expansionsphase durchläuft und in der Kompressionsphase zunächst thermisch komprimiert wird und anschließend eine adiabatische Druckerhöhung erfährt, und
  • b) Wärmeaustauschmittel, mittels denen dem Arbeitsmedium Wärme zu- und abgeführt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) das Arbeitsmedium, der Arbeitsdruckbereich und der Arbeitstemperatur­ bereich der Wärmekraftmaschine so gewählt werden, daß das Arbeitsmedium während der adiabatischen Expansion und/oder der thermischen Kompression verflüssigt wird.
12. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmedium, der Arbeitsdruckbereich und der Arbeitstemperaturbereich der Wärmekraftmaschine so gewählt werden, daß das Arbeitsmedium in der Kompressionsphase nach der thermischen Kompression vor der adiabatischen Druckerhöhung im wesentlichen vollständig verflüssigt wird.
13. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmedium ein Mehrstoffgemisch ist.
14. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Stoffe des Mehrstoffgemisches so ausgewählt werden, daß ihre Siedepunkte innerhalb des Temperatur- und Druckbereichs der arbeitenden Wärmekraftmaschine liegen.
15. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Stoffe des Mehrstoffgemisches so ausgewählt werden, daß die Mischung endotherm ist.
16. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Mehrstoffgemisch Wasser und Benzol enthält.
17. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 14-16, dadurch gekennzeichnet, daß das Mehrstoffgemisch Wasser und Benzin enthält.
18. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Mehrstoffgemisch 10-30 Gew.-% Wasser und 70-90 Gew.-% Benzin enthält.
19. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 14-17, dadurch gekennzeichnet, daß das Mehrstoffgemisch 5-10 Gew.-% Wasser und 90-95 Gew.-% Butan enthält.
20. Mit einem Kreisprozeß arbeitende Wärmekraftmaschine, enthaltend
  • a) einen abgeschlossenen Raum, in dem ein Arbeitsmedium eingeschlossen ist, welches abwechselnd eine Kompressionsphase und eine Expansionsphase durchläuft,
  • b) Wärmeaustauschmittel, mittels denen dem Arbeitsmedium Wärme zu- und abgeführt wird, und
  • c) das Arbeitsmedium ein Mehrstoffgemisch ist, dadurch gekennzeichnet, daß
  • d) das Mehrstoffgemisch 10-30 Gew.-% Wasser und 70-90 Gew.-% Benzin bzw. Benzol enthält.
21. Mit einem Kreisprozeß arbeitende Wärmekraftmaschine, enthaltend
  • a) einen abgeschlossenen Raum, in dem ein Arbeitsmedium eingeschlossen ist, welches abwechselnd eine Kompressionsphase und eine Expansionsphase durchläuft,
  • b) Wärmeaustauschmittel, mittels denen dem Arbeitsmedium Wärme zu- und abgeführt wird, und
  • c) das Arbeitsmedium ein Mehrstoffgemisch ist, dadurch gekennzeichnet, daß
  • d) das Mehrstoffgemisch 5-10 Gew.-% Wasser und 90-95 Gew.-% Benzin bzw. Butan enthält.
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