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DE102014004846A1 - Low-temperature high-pressure thermoforming - Google Patents

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DE102014004846A1
DE102014004846A1 DE102014004846.2A DE102014004846A DE102014004846A1 DE 102014004846 A1 DE102014004846 A1 DE 102014004846A1 DE 102014004846 A DE102014004846 A DE 102014004846A DE 102014004846 A1 DE102014004846 A1 DE 102014004846A1
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Abstract

Die Niedertemperaturhochdruckwärmeumformung ist ein Verfahren zur Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit bei niederen Temperaturen und hohen Drücken. Die Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit findet in allen herkömmlichen Kraftwerken statt. Die Umwandlung erfolgt hauptsächlich in Expansionsmaschinen (z. B. Dampfturbinen bzw. Gasturbinen). In einem kontinuierlichen Betrieb wird in einem Kreisprozess dem Betriebsmedium bei hohem Druck Wärme zugeführt. Ein Teil dieser zugeführten Wärme wird in Expansionsmaschinen in mechanische Arbeit umgewandelt. Der übrige Teil dieser zugeführten Wärme muss bei niedrigerer Temperatur und niedrigerem Druck wieder abgeführt werden und ist somit für den Betrieb verloren. Der Kreisprozess kann in 4 Schritte gegliedert werden. Beginnend mit Schritt 1: Expansion eines gasförmigen Betriebsmittels von hohem Druck auf niedrigeren Druck und niedrigere Temperatur unter Arbeitsleistung. (Idealfall = adiabatische Zustandsänderung) Schritt 2: Abführung von Wärme bei konstantem Druck bis das Betriebsmedium flüssig ist. (Isobare Zustandsänderung) Schritt 3: Kompression der Flüssigkeit auf hohen Druck. Schritt 4: Wärmezufuhr bis Ausgangszustand erreicht ist. Wenn der untere Druck dieses Kreisprozesses noch über dem kritischen Druck des Betriebsmediums liegt, dann ist der Temperaturverlauf im Wärme abzuführenden Schritt 2 und der Temperaturverlauf im unteren Teil vom Wärme aufnehmenden Schritt 4 gegenläufig gleich. Die Wärmemenge aus Schritt 2 kann auf den unteren Teil von Schritt 4 übertragen werden und ist somit für den Prozess nicht verloren. Der obere Teil der bei Schritt 4 zuzuführenden Wärme wird einem außerhalb liegenden Wärmereservoire entnommen. Wenn jetzt die Betriebstemperaturen so gewählt werden, dass die höchste Temperatur noch unter der Umgebungstemperatur liegt, dann kann als Wärmereservoire die Umgebungswärme verwendet werden. Das ist möglich wenn als Betriebsmittel ein Gas verwendet wird, dessen kritische Temperatur entsprechend weit unter der Umgebungstemperatur liegt. Zum Beispiel Stickstoff, Sauerstoff, Luft usw. Die einzelnen Komponenten einer Anlage zu diesem Verfahren sind gegeneinander und gegen außen so gut zu isolieren, dass, außer in den Wärmetauschern, kein wesentlicher Wärmeaustausch stattfindet.Low-temperature high-pressure thermal forming is a process for converting heat into mechanical work at low temperatures and high pressures. The conversion of heat into mechanical work takes place in all conventional power plants. The conversion mainly takes place in expansion machines (eg steam turbines or gas turbines). In a continuous operation, heat is supplied to the operating medium at high pressure in a cycle process. Part of this added heat is converted into mechanical work in expansion machines. The remainder of this added heat must be dissipated at lower temperature and lower pressure and is thus lost to operation. The cycle can be divided into 4 steps. Beginning with Step 1: Expansion of gaseous equipment from high pressure to lower pressure and lower temperature under operating power. (Ideal = adiabatic change of state) Step 2: Dissipation of heat at constant pressure until the operating medium is liquid. (Isobaric state change) Step 3: Compress the fluid to high pressure. Step 4: Heat up to initial state is reached. If the lower pressure of this cycle is still above the critical pressure of the operating medium, then the temperature profile in the heat dissipating step 2 and the temperature profile in the lower part of the heat receiving step 4 in opposite directions. The amount of heat from step 2 can be transferred to the lower part of step 4 and thus is not lost to the process. The upper part of the heat to be supplied in step 4 is taken out of an external heat reservoir. If now the operating temperatures are selected so that the highest temperature is still below the ambient temperature, the ambient heat can be used as heat reservoir. This is possible if the equipment used is a gas whose critical temperature is correspondingly far below the ambient temperature. For example, nitrogen, oxygen, air, etc. The individual components of an installation to this process are so well insulated against each other and against the outside that, except in the heat exchangers, no significant heat exchange takes place.

Description

Die Niedertemperaturhochdruckwärmeumformung ist ein Verfahren zur Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit in einem thermodynamischen Kreisprozess mit Wärmetauschern, Expansionsmaschine und Speisepumpe. Die Umwandlung geschieht bei niederen Temperaturen und hohen Drücken. Als Betriebsmittel für den Kreisprozess dient ein Medium, das bei normaler Umgebungstemperatur (ca. 290°K) gasförmig ist. Der Kreisprozess kann in 4 Teilprozesse unterteilt werden. Ausgangszustand ist ein Gas mit hohem Druck und einer Temperatur knapp unter der Umgebungstemperatur.Low-temperature high-pressure thermal forming is a process for converting heat into mechanical work in a thermodynamic cycle with heat exchangers, expansion machine and feed pump. The conversion happens at low temperatures and high pressures. The medium used for the cyclic process is a medium which is gaseous at normal ambient temperature (about 290 ° K). The cycle can be divided into 4 sub-processes. Initial state is a gas with high pressure and a temperature just below the ambient temperature.

Erster Teilprozess:First sub-process:

Das Gas wird vom hohen Druck auf einen niedrigeren Druck unter Arbeitsleistung entspannt. (Adiabatische Zustandsänderung). Der Arbeitsleistung entsprechend wird dabei die Temperatur abnehmen.The gas is released from the high pressure to a lower pressure while working. (Adiabatic change of state). According to the work performance, the temperature will decrease.

Zweiter Teilprozess:Second sub-process:

In einem oder mehreren Wärmetauschern wird dem Betriebsmedium dann Wärme entzogen, und zwar so viel, dass es den Aggregatszustand ändert und flüssig wird. (Isobare Zustandsänderung).In one or more heat exchangers, the operating medium is then deprived of heat, much so that it changes state of aggregation and becomes liquid. (Isobare change of state).

Dritter Teilprozess:Third sub-process:

Die Flüssigkeit wird dann mit einer Pumpe auf den hohen Ausgangsdruck komprimiert. Da bei der Drucksteigerung von Flüssigkeit dessen Volumen nur wenig abnimmt, ist auch die dabei entstehende Temperaturzunahme gering.The liquid is then compressed by a pump to the high outlet pressure. Since its volume only slightly decreases in the increase in pressure of liquid, the resulting increase in temperature is low.

Vierter Teilprozess:Fourth sub-process:

Als nächstes wird das Betriebsmedium bei dem hohen Druck in Wärmetauschern wieder auf die Ausgangstemperatur erwärmt. (Isobare Zustandsänderung).Next, at the high pressure in heat exchangers, the operating medium is reheated to the starting temperature. (Isobare change of state).

Der Kreislauf ist somit geschlossen und kann wieder von vorn beginnen.The circuit is closed and can start all over again.

Der untere Druck dieses Kreisprozesses wird so gewählt, dass er noch über dem kritischen Druck des Betriebsmediums liegt.The lower pressure of this cycle is chosen so that it is still above the critical pressure of the operating medium.

Bei einem Druck oberhalb des kritischen Druckes ist das Medium gasförmig, wenn seine Temperatur über der kritischen Temperatur liegt und flüssig, wenn seine Temperatur unter der kritischen Temperatur liegt. Beides gleichzeitig, wie es bei Drücken und Temperaturen unterhalb der kritischen Werte sein kann, ist dort nicht möglich.At a pressure above the critical pressure, the medium is gaseous when its temperature is above the critical temperature and liquid when its temperature is below the critical temperature. Both at the same time, as it can be below the critical values for pressures and temperatures, is not possible there.

Bei diesen hohen Drücken ist der Temperaturverlauf bei der Abkühlung im Teilprozess 2 und der untere Teil des Temperaturverlaufs bei der Erwärmung im Teilprozess 4 etwa gegenläufig gleich. Demzufolge kann, unter Verwendung eines Hilfskreislaufes, die beim Teilprozess 2 abgegebene Wärme beim Teilprozess 4 wieder dem Hauptkreislauf zugeführt werden.At these high pressures of the temperature profile during cooling in the sub-process 2 and the lower part of the temperature profile during heating in the sub-process 4 is about the same in opposite directions. Accordingly, using an auxiliary circuit, the heat given off in the sub-process 2 can be returned to the main circuit in the sub-process 4.

Für die Gestaltung des Hilfskreislaufes gibt es vielerlei Möglichkeiten. Es muss jedoch ein in sich geschlossener Kreislauf (oder mehrere) sein.There are many possibilities for the design of the aid cycle. However, it must be a self-contained cycle (or more).

Der Hilfskreislauf kann mit einem beliebigen Gas betrieben werden. Voraussetzung: Es muss im benötigten Temperaturbereich gasförmig bleiben und weitgehend den Gasgesetzen gehorchen. Die Drücke sind ebenfalls, in Grenzen, frei wählbar. Sie sind nur bedingt an den Hauptkreislauf anzupassen.The auxiliary circuit can be operated with any gas. Prerequisite: It must remain gaseous in the required temperature range and obey largely the gas laws. The pressures are also, within limits, freely selectable. They are only conditionally adapted to the main circuit.

Im Hauptkreislauf wird beim Teilprozess 2 Wärme abgeführt. Diese Wärme wird in einem Wärmetauscher an das Medium im Hilfskreislauf übergeben. Danach wird das Gas im Hilfskreislauf durch Kompression auf eine höhere Temperatur gebracht (adiabatische Zustandsänderung). Jetzt wird die, um die Kompressionsarbeit etwas erhöhte, Wärmemenge in einem weiteren Wärmetauscher wieder dem Hauptkreislauf unter Teilprozess 4 zugeführt. Anschließend wird das Gas im Hilfskreislauf wieder auf den unteren Druck bei Arbeitsleistung entspannt. (Adiabatische Zustandsänderung). Die Temperatur sinkt dabei auf den Anfangswert vor der Wärmeaufnahme. Der Hilfskreislauf ist hiermit auch geschlossen.In the main circuit 2 heat is dissipated during the sub-process. This heat is transferred in a heat exchanger to the medium in the auxiliary circuit. Thereafter, the gas in the auxiliary circuit is brought by compression to a higher temperature (adiabatic change of state). Now, the order to the compression work slightly increased amount of heat in another heat exchanger back to the main circuit under sub-process 4 is supplied. Subsequently, the gas is relieved in the auxiliary circuit back to the lower pressure at work. (Adiabatic change of state). The temperature drops to the initial value before heat absorption. The auxiliary circuit is hereby also closed.

Das Druckverhältnis im Hilfskreislauf zwischen dem oberen und dem unteren Druck muss nur so groß sein, dass ein genügend großer Temperaturunterschied zwischen den beiden gegenläufigen Arbeitsmitteln in den Wärmetauschern entsteht.The pressure ratio in the auxiliary circuit between the upper and the lower pressure must only be so great that a sufficiently large temperature difference between the two counter-rotating working materials in the heat exchangers arises.

Wenn die einzelnen Komponenten dieser Kreisprozesse entsprechend dimensioniert sind, insbesondere wenn das Druckverhältnis im Hauptkreislauf hoch genug gewählt wird, und wenn die Maschinen keinen zu schlechten Wirkungsgrad haben, dann wird die höchste Temperatur im Hilfskreislauf noch unter der Anfangstemperatur im Hauptkreislauf liegen.If the individual components of these cycles are dimensioned accordingly, especially if the pressure ratio in the main circuit is chosen high enough, and if the machines do not have too poor efficiency, then the highest temperature in the auxiliary circuit will still be below the initial temperature in the main circuit.

Dies bedeutet aber, dass im Hauptkreislauf unter Teilprozess 4 noch weitere Wärme zugeführt werden muss. Diese zusätzliche Wärme wird einem außerhalb der Anlage liegenden Wärmereservoir entnommen und über einen weiteren Wärmetauscher dem Hauptkreislauf zugeführt.However, this means that in the main circuit under sub-process 4 still more heat must be supplied. This additional heat is taken from a heat reservoir located outside the plant and fed via a further heat exchanger to the main circuit.

Wenn die einzelnen Anlagenteile gegeneinander so gut wärmeisoliert sind, dass – außer in den Wärmetauschern – kein Wärmeaustausch stattfindet, dann muss, nach dem ersten Hauptsatz der Wärmelehre, die von außen zugeführte Wärmemenge als Überschuss an mechanischer Energie zur Verfügung stehen.If the individual parts of the system are so well insulated against each other that - except in the Heat exchangers - no heat exchange takes place, then, according to the first law of thermodynamics, the externally supplied heat must be available as an excess of mechanical energy.

Der erste Hauptsatz der Wärmelehre sagt folgendes: Die Summe der einem System von außen zugeführten Wärme und der von außen zugeführten Arbeit ist gleich der Zunahme der inneren Energie.The first law of thermodynamics says the following: The sum of the heat supplied to a system from the outside and the work input from the outside is equal to the increase of the internal energy.

Mathematisch: dU = dQ + dA. Darin bedeuten: U = innere Energie, Q = zugeführte Wärme, A = zugeführte Arbeit. Vom System abgegebene Arbeit ist in der Gleichung negativ einzusetzen.Mathematical: dU = dQ + dA. In this mean: U = internal energy, Q = supplied heat, A = supplied work. Work done by the system is negative in the equation.

Achtung I: In manchen Abhandlungen zu diesem Thema wird die abgegebene mechanische Arbeit als positiv und die zugeführte als negativ gewertet. Die Gleichung lautet dann: dU = dQ – dA.Attention I: In some essays on this topic, the mechanical work delivered is considered positive and the submitted mechanical work negative. The equation is then: dU = dQ - dA.

Bei einem in sich geschlossenen Kreislaufsystem bleibt die innere Energie gleich. Das bedeutet, dU = 0 und somit lautet, für diesen Fall, die obige Gleichung dQ = –dA.In a self-contained circulatory system, the internal energy remains the same. That is, dU = 0, and thus, for this case, the above equation is dQ = -dA.

In Worten: Die dem System zugeführte Wärme ist gleich der vom System abgegebenen mechanischen Arbeit.In words, the heat supplied to the system is equal to the mechanical work delivered by the system.

Die wichtigsten Merkmale des Kreisprozesses sind folgende:

  • 1. Die einzelnen Komponenten der Anlage (Turbinen, Kompressor, Pumpe und Wärmetauscher) sind gegeneinander und gegen außen vollkommen bzw. so gut wie möglich gegen Wärmeaustausch zu isolieren.
  • 2. Die Komprimierung auf den hohen Anfangsdruck des Hauptkreislaufes erfolgt im flüssigen Zustand.
  • 3. Der Hauptkreislauf verläuft oberhalb des kritischen Gasdruckes.
The most important features of the cycle are:
  • 1. The individual components of the plant (turbines, compressor, pump and heat exchanger) are to be isolated against each other and against the outside completely or as well as possible against heat exchange.
  • 2. The compression to the high initial pressure of the main circuit takes place in the liquid state.
  • 3. The main circuit runs above the critical gas pressure.

Bei der Realisierung einer Anlage zur Wärmeumwandlung in mechanische Arbeit, nach den zuvor beschriebenen Kriterien, sind viele Varianten möglich.In the realization of a plant for heat conversion into mechanical work, according to the criteria described above, many variants are possible.

Das einfachste Beispiel:The simplest example:

Ein Maschinensatz dazu, bestehend aus drei Wärmetauschern, zwei Expansionsmaschinen (Turbinen), einem Kompressor und einer Speisepumpe. Das Zusammenwirken dieser Einzelkomponenten zu einem Niedertemperaturhochdruckwärmeaggregat kann wie folgt geschehen:
Die Anlage wird mit Luft als Arbeitsmedium betrieben.
Technische Daten der Luft: Molgewicht = 28,26, Normgewicht (bei 0°C und 1 bar) = 1,2928 kg/m3, Siedepunkt (bei 1 bar) = 82°K, Spezifisches Gewicht der Flüssigkeit (bei 1 bar) = 0,875 kg/dm3, Kritische Temperatur Tk = 132,3°K, Kritischer Druck Pk = 37,7 bar, Volumen bei den kritischen Zustandswerten Vk = 3,23 dm3/kg,
Spezifische Wärme bei konstantem Druck cp (bei 0°C) = 1,001 kJ/kg°,
Spezifische Wärme bei konstantem Volumen cv = 0,715 kJ/kg°, cp/cv = kappa = 1,4
A set of machines consisting of three heat exchangers, two expansion engines (turbines), a compressor and a feed pump. The interaction of these individual components to a low-temperature high-pressure unit can be done as follows:
The plant is operated with air as a working medium.
Technical data of the air: molecular weight = 28.26, standard weight (at 0 ° C and 1 bar) = 1.2928 kg / m 3 , boiling point (at 1 bar) = 82 ° K, specific gravity of the liquid (at 1 bar) = 0.875 kg / dm 3 , critical temperature T k = 132.3 ° K, critical pressure P k = 37.7 bar, volume at the critical state values V k = 3.23 dm 3 / kg,
Specific heat at constant pressure c p (at 0 ° C) = 1.001 kJ / kg °,
Specific heat at constant volume c v = 0.715 kJ / kg °, c p / c v = kappa = 1.4

Folgende Annahmen werden gemacht:

  • 1. Der Aufbau ist genau wie oben beschrieben. Siehe dazu Zeichnungen 1.
  • 2. In den Wärmetauschern wird mit einer hohen Temperaturdifferenz von 10° zwischen dem Wärme abgebenden und dem Wärme aufnehmenden Medium gerechnet.
  • 3. Bei den Maschinen (Turbinen, Kompressor und Pumpe) wird mit einem Wirkungsgrad von nur 80% gerechnet.
  • 4. Der obere Druck im Hauptkreislauf wird mit 400 bar und der untere mit 50 bar festgelegt.
  • 5. Der untere Druck im Hilfskreislauf wird so gewählt, dass das Gas bei der niedrigsten Temperatur noch gasförmig ist.
  • 6. Es wird angenommen, dass – etwa der Realität entsprechend – die spezifische Wärme der Luft in der Nähe des Verflüssigungspunktes beim unteren Druck im Bereich von 15° den doppelten Wert hat. Ebenso wird für die Flüssigkeit der doppelte Wert angenommen.
  • 7. Es wird angenommen, dass ein Wärmereservoir mit einer Temperatur von 290°K zur Verfügung steht.
The following assumptions are made:
  • 1. The structure is exactly as described above. See drawings 1 ,
  • 2. In the heat exchangers is calculated with a high temperature difference of 10 ° between the heat-emitting and the heat-absorbing medium.
  • 3. The machines (turbines, compressor and pump) are expected to have an efficiency of only 80%.
  • 4. The upper pressure in the main circuit is set at 400 bar and the lower one at 50 bar.
  • 5. The lower pressure in the auxiliary circuit is chosen so that the gas is still gaseous at the lowest temperature.
  • 6. It is believed that, as is the case in reality, the specific heat of the air near the point of liquefaction at the lower pressure in the range of 15 ° has twice the value. Likewise, twice the value is assumed for the liquid.
  • 7. It is assumed that a heat reservoir with a temperature of 290 ° K is available.

Der Ausgangszustand der Luft ist ein Druck von 400 bar und eine Temperatur von 280°K. (Hauptkreislauf Zustand 0)The initial state of the air is a pressure of 400 bar and a temperature of 280 ° K. (Main circuit state 0)

Bei einer adiabatischen Entspannung mit Arbeitsleistung gilt die Gleichung: T2 = T1·(P2/P1)kappa-1/kappa = 280·(50/400)0,4/1,4 = 154,57°K For an adiabatic relaxation with work performance, the equation applies: T 2 = T 1 * (P 2 / P 1 ) kappa-1 / kappa = 280 * (50/400) 0.4 / 1.4 = 154.57 ° K

Die dabei abgegebene mechanische Arbeit wäre dA = (T2 – T1)·cv. Die Arbeit ist proportional der Temperaturdifferenz. Die Temperaturdifferenz beträgt 280 – 154,57 = 125,43°. Bei einem Wirkungsgrad von 0,8 werden davon nur 80% in mechanische Arbeit umgesetzt. Der Rest verbleibt als Wärme im Medium. Die tatsächliche Temperaturdifferenz beträgt also 125,43·0,8 = 100,34°.The mechanical work delivered would be dA = (T 2 -T 1 ) · c v . The work is proportional to the temperature difference. The temperature difference is 280 - 154.57 = 125.43 °. With an efficiency of 0.8, only 80% of it is converted into mechanical work. The remainder remains as heat in the medium. The actual temperature difference is thus 125.43 · 0.8 = 100.34 °.

Die Temperatur nach der Entspannung beträgt also 280 – 100,34 = 179,66°K (Hauptkreislauf Zustand 1).The temperature after the relaxation is thus 280 - 100.34 = 179.66 ° K (main circuit state 1).

Damit die Luft flüssig wird muss ihre Temperatur auf unter 132,3°K fallen. Gerechnet wird mit 129,66°K. (Hauptkreislauf Zustand 2). Also muss die Luft um 50° abgekühlt werden. Das entspricht einer abzuführenden Wärmemenge von 50·1,001 = 50,05 kJ/kg. Da wir angenommen haben, dass im unteren Bereich die spezifische Wärme cp den doppelten Wert hat, kommen nochmals 15·1,001 = 15,015 kJ/kg hinzu. Insgesamt also 65,065 kJ/kg.For the air to become liquid, its temperature must fall below 132.3 ° K. Calculated with 129.66 ° K. (Main circuit state 2). So you have to Air to be cooled by 50 °. This corresponds to a dissipated amount of heat of 50 · 1.001 = 50.05 kJ / kg. Since we have assumed that in the lower part the specific heat c p has twice the value, another 15 · 1.001 = 15.015 kJ / kg are added. Total 65,065 kJ / kg.

Die Kompressibilität von flüssiger Luft wird mit 10% Volumendifferenz pro 1000 bar Druckdifferenz angesetzt. Bei Wasser sind es ungefähr 4%. Wenn die Luft jetzt auf 400 bar komprimiert wird ergibt sich eine Volumendifferenz von 3,5%.The compressibility of liquid air is set at 10% volume difference per 1000 bar pressure difference. With water it is about 4%. If the air is now compressed to 400 bar, the volume difference is 3.5%.

3,5% von 3,23 dm3 sind 0,113 dm3. Die Kompressionsarbeit berechnet sich zu (P1 + P2)/2·dV; P1 = 50·105 N/m2, P2 = 400·105 N/m2, dV = 0,113·10–3 m3. Akompr. = (50 + 400)/2·105·0,113·10–3 = 2542,5 Nm. Bei einem Wirkungsgrad von 80% sind 2542,5/0,8 = 3178 Nm als Kompressionsarbeit aufzuwenden, welche als Wärme im Medium erscheint. 3178 Nm = 3178 Joule. Bei einer spezifischen Wärme der Flüssigkeit von 2,002 kJ/kg° ergibt dies eine Temperaturerhöhung um 1,58°, auf 129,66 + 1,58 = 131,24°K. (Hauptkreislauf Zustand 3)3.5% of 3.23 dm 3 is 0.113 dm 3 . The compression work is calculated to be (P 1 + P 2 ) / 2 · dV; P 1 = 50 × 10 5 N / m 2 , P 2 = 400 × 10 5 N / m 2 , dV = 0.113 × 10 -3 m 3 . A compr. = (50 + 400) / 2 × 10 5 × 0.113 × 10 -3 = 2542.5 Nm. At an efficiency of 80%, 2542.5 / 0.8 = 3178 Nm are to be used as compression work, which appears as heat in the medium. 3178 Nm = 3178 joules. At a specific heat of the liquid of 2.002 kJ / kg °, this results in a temperature increase of 1.58 °, to 129.66 + 1.58 = 131.24 ° K. (Main circuit state 3)

Hilfskreislauf:Auxiliary circuit:

Der Hilfskreislauf wird so dimensioniert, dass zur Erzeugung einer bestimmten Temperaturdifferenz die gleiche Wärmemenge wie im Hauptkreislauf benötigt wird.The auxiliary circuit is dimensioned so that the same amount of heat as in the main circuit is required to produce a specific temperature difference.

Im Niederdruckbereich müssen 65,065 kJ/kg aufgenommen werden. Das bedingt einen Temperaturbereich von 65,065/1,001 = 65°.In the low pressure range 65,065 kJ / kg must be recorded. This requires a temperature range of 65.065 / 1.001 = 65 °.

Wenn im Wärmetauscher eine Temperaturdifferenz von mindestens 10° sein soll, dann ist die höchste Temperatur im Wärme aufnehmenden Teil des Hilfskreislaufes 179,66 – 10 = 169,66°k. (Hilfskreislauf Zustand b). Die tiefste Temperatur ist 65° weniger also 104,66°k. (Hilfskreislauf Zustand a).If in the heat exchanger a temperature difference of at least 10 ° should be, then the highest temperature in the heat receiving part of the auxiliary circuit is 179.66 - 10 = 169.66 ° k. (Auxiliary circuit state b). The lowest temperature is 65 ° less then 104.66 ° K. (Auxiliary circuit state a).

Die niedrigste Temperatur im Wärme abgebenden Teil des Hilfskreislaufes ist 131,2°k + 10° = 141,2°k. (Hilfskreislauf Zustand d).The lowest temperature in the heat-releasing part of the auxiliary circuit is 131.2 ° k + 10 ° = 141.2 ° k. (Auxiliary circuit state d).

Aus diesen Werten lässt sich das benötigte Druckverhältnis zwischen Hochdruck und Niederdruck im Hilfskreislauf errechnen, und zwar wie folgt:
Das Betriebsmedium wird von hohem Druck bei 141,2°k auf niedrigen Druck bei 104,66°K unter Arbeitsleistung entspannt. Die Temperaturdifferenz beträgt 36,54°. Um den Wirkungsgrad von 0,8 zu berücksichtigen, ist dieser Wert durch 0,8 zu dividieren. 36,54/0,8 = 45,68°. Als unterer Temperaturwert ist also 141,2 – 45,68 = 95,52°k in die Rechnung einzusetzen. Wenn P1 mit 10 bar angenommen wird, gilt:
T1 = 141,2, T2 = 95,52, P1 = 10, P2 = P1·(T2/T1)kappa/kappa-1 = 10·(95,52/141,2)1,4/0,4 = 2,54. Das Druckverhältnis im Hilfskreislauf ist demnach mit 4/1 richtig dimensioniert.
From these values, the required pressure ratio between high pressure and low pressure in the auxiliary circuit can be calculated, as follows:
The operating medium is depressurized from high pressure at 141.2 ° K to low pressure at 104.66 ° K under operating performance. The temperature difference is 36.54 °. To account for the efficiency of 0.8, divide this value by 0.8. 36.54 / 0.8 = 45.68 °. As a lower temperature value, 141.2 - 45.68 = 95.52 ° k must be included in the calculation. If P 1 is assumed to be 10 bar, the following applies:
T 1 = 141.2, T 2 = 95.52, P 1 = 10, P 2 = P 1 * (T 2 / T 1 ) kappa / kappa-1 = 10 * (95.52 / 141.2) 1 , 4 / 0.4 = 2.54. The pressure ratio in the auxiliary circuit is therefore correctly dimensioned with 4/1.

Nach der Wärmeaufnahme ist der Druck im Hilfskreislauf durch Kompression um den Faktor vier zu erhöhen. Dabei gilt die Gleichung: T2 = T1·(P2/P1)kappa-1/kappa. Index 1 bedeutet hier Wert vor der Zustandsänderung und Index 2 Wert nach der Zustandsänderung. T2 = 169,66·40,4/1,4 = 252,11. Der Temperaturunterschied beträgt 82,45°. Dieser Wert ist wegen des Wirkungsgrades von 80% durch 0,8 zu dividieren, womit sich ein Temperaturunterschied von 103,06° ergibt.After heat absorption, the pressure in the auxiliary circuit should be increased by a factor of four by compression. The equation applies here: T 2 = T 1 · (P 2 / P 1 ) kappa-1 / kappa . Index 1 here means value before the state change and index 2 value after the state change. T 2 = 169.66 x 4 0.4 / 1.4 = 252.11. The temperature difference is 82.45 °. This value has to be divided by 0.8 because of the efficiency of 80%, which results in a temperature difference of 103.06 °.

Die höchste Temperatur im Hilfskreislauf beträgt demnach 169,66 + 103,06 = 272,72°K (Hilfskreislauf Zustand c).The highest temperature in the auxiliary circuit is therefore 169.66 + 103.06 = 272.72 ° K (auxiliary circuit state c).

Im oberen Wärmetauscher wird das Medium des Hilfskreislaufes auf 141,2°K abgekühlt und die Wärme an den Hauptkreislauf übergeben. Dessen Temperatur steigt entsprechend auf 262,72°K (Hauptkreislauf Zustand 4).In the upper heat exchanger, the medium of the auxiliary circuit is cooled to 141.2 ° K and transferred the heat to the main circuit. Its temperature rises accordingly to 262.72 ° K (main circuit state 4).

Um die Ausgangstemperatur im Hauptkreislauf wieder zu erreichen, muss von außen Wärme für eine weitere Temperatursteigerung um 17,28° zugeführt werden.In order to reach the outlet temperature in the main circuit, heat must be supplied from the outside for a further increase in temperature of 17.28 °.

Dieser Wert ist zwar sehr gering, aber: Das Wichtigste: ER ist größer Null.This value is very low, but: Most important: ER is greater than zero.

Für eine Verbesserung der Anlage gibt es einige Möglichkeiten:

  • 1. Erhöhung des Druckverhältnisses im Hauptkreislauf.
  • 2. Verbesserung der Wirkungsgrade.
  • 3. Verbesserung der Wärmetauscher mit kleinerer Temperaturdifferenz.
  • 4. Eine kleine Verbesserung ist zu erreichen, wenn die Wärmeübergabe an den Hilfskreislauf mehrstufig ausgeführt wird. Siehe Zeichnungen 2.
For an improvement of the system there are some possibilities:
  • 1. Increase of the pressure ratio in the main circuit.
  • 2. Improvement of efficiencies.
  • 3. Improvement of the heat exchanger with smaller temperature difference.
  • 4. A small improvement can be achieved if the heat transfer to the auxiliary circuit is carried out in several stages. See drawings 2 ,

Die unterschiedlichen spezifischen Wärmen zwischen dem Wärme abgebenden unteren Teil des Hauptkreislaufes und dem Wärme aufnehmendem Hilfskreislauf sind in diesem Fall besser berücksichtigt. Nachteil: Größerer Maschinenaufwand.The different specific heats between the heat emitting lower part of the main circuit and the heat receiving auxiliary circuit are better taken into account in this case. Disadvantage: higher machine costs.

In obigem Beispiel ist noch eine Korrektur anzubringen. Dadurch, dass im Hauptkreislauf, im unteren Temperaturbereich, bei unterem Druck die spezifische Wärme als doppelt so hoch angenommen wurde und im übrigen mit gleichbleibender spezifischer Wärme gerechnet wurde, stimmt die Energiebilanz nicht ganz. Damit die Summe der zu- und abgeführten Energie = Null ist, muss die zuzuführende Energiemenge erhöht werden. Das kann nur bedeuten, dass im Hochdruckteil die spezifische Wärme höher angenommen werden muss. Die von außen zuzuführende Wärmemenge wird sich damit auch erhöhen.In the example above, a correction must be made. The fact that in the main circuit, in the lower temperature range, at lower pressure, the specific heat was assumed to be twice as high and was calculated in the other with constant specific heat, the energy balance is not quite right. For the sum of the added and removed energy = zero, the amount of energy to be supplied must be increased. This can only mean that the specific heat is higher in the high pressure part must be accepted. The amount of heat to be supplied from the outside will thus also increase.

Damit die Energiebilanz stimmt muss die spezifische Wärme im Hochdruckteil des Hauptkreislaufes mit 1,102 kJ/kg° angenommen werden. Die Zwischentemperatur Zustand 4 ist dann 250,67°K. Die von außen zuzuführende Wärme muss eine Temperaturerhöhung von 29,33° erbringen. Das sind 29,33·1,102 = 32,32 kJ/kg.In order for the energy balance to be correct, the specific heat in the high-pressure section of the main circuit must be assumed to be 1.102 kJ / kg °. The intermediate temperature state 4 is then 250.67 ° K. The heat to be supplied from the outside must produce a temperature increase of 29.33 °. This is 29.33 x 1.102 = 32.32 kJ / kg.

Wie aus verschiedenen Physikunterlagen hervorgeht, steigt tatsächlich die spezifische Wärme bei hohen Drücken und hohen Temperaturen. Nachstehend einige Werte der spezifischen Wärme cp von Luft bei 273°K und hohen Drücken:
Druck 20 bar cp = 1,043 kJ/kg°, Druck 60 bar cp = 1,113 kJ/kg°,
Druck 100 bar cp = 1,189 kJ/kg°, Druck 140 bar cp = 1,25 kJ/kg°
Druck 180 bar cp = 1,296 kJ/kg°, Druck 220 bar cp = 1,333 kJ/kg°
As is apparent from various physics documents, the specific heat actually increases at high pressures and high temperatures. Below are some values of specific heat c p of air at 273 ° K and high pressures:
Pressure 20 bar c p = 1,043 kJ / kg °, pressure 60 bar c p = 1,113 kJ / kg °,
Pressure 100 bar c p = 1.189 kJ / kg °, pressure 140 bar c p = 1.25 kJ / kg °
Pressure 180 bar c p = 1,296 kJ / kg °, pressure 220 bar c p = 1,333 kJ / kg °

Bei entsprechender Wahl der Arbeitspunkte ist es auch möglich den Hauptkreislauf und den Hilfskreislauf zu einem einzigen Kreislauf zusammenzufassen. Siehe Zeichnungen 3.With appropriate choice of operating points, it is also possible to combine the main circuit and the auxiliary circuit into a single circuit. See drawings 3 ,

Dabei wird das Betriebsmedium im Teilprozess 1 noch weit unter den kritischen Druck entspannt. Die Temperatur sinkt ebenfalls unter den kritischen Wert. Die Temperatur muss so weit sinken, dass im Wärmetauscher W1 ein genügend großer Temperaturunterschied entsteht um das Medium im Gegenstrom zu verflüssigen.The operating medium in sub-process 1 is still relaxed far below the critical pressure. The temperature also drops below the critical value. The temperature must drop so far that a sufficiently large temperature difference is created in the heat exchanger W1 in order to liquefy the medium in countercurrent.

Nachdem das Medium im Wärmetauscher 1 die dort zur Verflüssigung abzuführende Wärme aufgenommen hat, wird es auf einen Druckwert knapp über dem kritischen Druck komprimiert. Die Temperatur steigt dabei, bleibt aber noch unter der Anfangstemperatur. Im Wärmetauscher 2 wird jetzt die Wärme an den Hochdruckteil übergeben wodurch die Temperatur auf einen Wert knapp über der kritischen Temperatur abnimmt. Der Rest bis zur Verflüssigung, wird im Wärmetauscher 1 abgeführt. Das flüssige Medium wird mit einer Pumpe dem Hochdruckteil zugeführt, wo es im Wärmetauscher 2 Wärme aufnimmt. Im Wärmetauscher 3 wird von außen Wärme zugeführt um wieder auf die Anfangstemperatur zu kommen.After the medium in heat exchanger 1 has absorbed the heat to be dissipated there for liquefaction, it is compressed to a pressure value just above the critical pressure. The temperature increases, but remains below the initial temperature. In the heat exchanger 2, the heat is now transferred to the high-pressure part, whereby the temperature decreases to a value just above the critical temperature. The remainder until liquefaction is removed in the heat exchanger 1. The liquid medium is supplied with a pump to the high-pressure part, where it absorbs heat in the heat exchanger 2. In the heat exchanger 3 heat is supplied from the outside to come back to the initial temperature.

Bei großem Unterschied der spezifischen Wärmen zwischen dem Wärme abgebenden Teil und dem Wärme aufnehmenden Teil, kann auch hier eine mehrstufige Wärmeübergabe sinnvoll sein. Was jedoch auch einen größeren Maschinenaufwand bedeutet.With a large difference of the specific heat between the heat-emitting part and the heat-absorbing part, a multi-stage heat transfer can be useful here as well. However, this also means a larger machine cost.

Wenn im Hauptkreislauf mit einem Medium gearbeitet wird, dessen kritische Temperatur in der Nähe der Umgebungstemperatur liegt, oder darüber (z. B. Kohlendioxyd mit einer kritischen Temperatur von Tk = 304°K) dann verläuft der Hauptkreislauf bei noch höheren Temperaturen. Die direkte Wärmeübernahme von außen, über Wärmetauscher, an den Hauptkreislauf ist nicht möglich. Am günstigsten ist es in diesem Fall, die erforderliche Zusatzwärme über den Hilfskreislauf dem Prozess zuzuführen. Ein Prozessaufbau dazu könnte dann aussehen wie auf Zeichnungen 4 dargestellt. Die eingetragenen Temperaturen ergeben sich bei Betrieb des Hauptkreislaufes mit Kohlendioxyd. Der obere Druck wurde mit 338 bar und der untere mit 80 bar in die Berechnung eingesetzt. Im Hilfskreislauf wurde mit einem Druckverhältnis 10/4 gerechnet und als Betriebsmittel wurde Luft angenommen. Der Wirkungsgrad der Maschinen wurde auch hier mit nur 80% angenommen, und in den Wärmetauschern wurde mit 10° Temperaturdifferenz gerechnet.When working in the main circuit with a medium whose critical temperature is close to the ambient temperature or higher (eg carbon dioxide with a critical temperature of T k = 304 ° K), the main circuit runs at even higher temperatures. The direct heat transfer from the outside, via heat exchangers, to the main circuit is not possible. It is best in this case to supply the required additional heat via the auxiliary circuit to the process. A process setup could look like drawings 4 shown. The temperatures recorded arise when operating the main circuit with carbon dioxide. The upper pressure was used at 338 bar and the lower at 80 bar in the calculation. In the auxiliary circuit, a pressure ratio of 10/4 was calculated and air was assumed as the operating medium. The efficiency of the machines was also assumed to be only 80%, and in the heat exchangers was calculated with 10 ° temperature difference.

Auch in diesem Beispiel kann, um unterschiedliche spezifische Wärmen auszugleichen, die Wärmeübergabe vom Hauptkreis an den Hilfskreis mehrstufig erfolgen. Auch die Wärmezufuhr von außen könnte mehrstufig erfolgen. Beides bringt eine kleine Verbesserung der Gesamtbilanz, bedingt aber auch einen erhöhten Maschinenaufwand.In this example too, in order to compensate for different specific heats, the transfer of heat from the main circuit to the auxiliary circuit can take place in several stages. The heat supply from the outside could be done in several stages. Both bring a small improvement in the overall balance, but also requires an increased machine cost.

Die Zusammenfassung von Hauptkreislauf und Hilfskreislauf ist auch bei einer mit CO2 betriebener Anlage möglich. Siehe dazu Zeichnungen 5 mit einstufiger Wärmeübergabe. Zeichnungen 6 zeigt den schematischen Aufbau mit zweistufiger Wärmeübergabe im unteren Druckbereich, wodurch die erhöhte spezifische Wärme in der Nähe des Verflüssigungspunktes berücksichtigt ist. Auch die Wärmezufuhr von außen wurde zweistufig vorgenommen. Das bringt eine kleine Verbesserung der Gesamtbilanz.The summary of main circuit and auxiliary circuit is also possible in a system operated with CO 2 . See drawings 5 with single-stage heat transfer. drawings 6 shows the schematic structure with two-stage heat transfer in the lower pressure range, whereby the increased specific heat is considered in the vicinity of the liquefaction point. The heat supply from the outside was made in two stages. That brings a small improvement in the overall balance.

Der Betrieb einer Anlage zur Wärmeumformung wie beschrieben, mit einem Betriebsmittel dessen kritische Temperatur in der Nähe der Umgebungstemperatur liegt, kann dann Sinn machen, wenn man die Schwierigkeiten bei tiefen Temperaturen umgehen will.The operation of a heat conversion plant as described, with a resource whose critical temperature is close to the ambient temperature, may make sense if one wishes to avoid the difficulties of low temperatures.

In der vorstehenden Beschreibung wurde für die Expansionsmaschinen der Begriff Turbine verwendet. Es könnte sein, dass die herkömmlichen Maschinen dieser Art wegen den extremen Betriebswerten weniger geeignet sind.In the above description, the term turbine has been used for the expansion machines. It could be that the conventional machines of this type are less suitable because of the extreme operating values.

Ein Ausweg könnte sein, die Expansionsmaschine als Kolbenmotor mit Membranzylinder und gesteuerten Ventilen zu bauen. Auch die Kompressoren und die Pumpen könnten nach diesem Prinzip arbeiten, wobei Rückschlagventile genügen würden.A way out could be to build the expansion engine as a piston engine with diaphragm cylinders and controlled valves. The compressors and the pumps could work on this principle, with check valves would suffice.

Die Wirtschaftlichkeit einer Anlage zur Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit nach diesem Verfahren hängt sehr stark von der Güte der eingesetzten Maschinen ab. Eine Halbierung der Verluste, also Wirkungsgrad 90% anstatt der bisher angenommenen 80%, würde den Nutzen etwa verdreifachen, bei sonst gleichen Bedingungen. Eine Verbesserung der Wärmetauscher auf den halben Wert der benötigten Temperaturdifferenz erbringt eine Nutzenverbesserung auf etwa den doppelten Wert, bei sonst gleichen Bedingungen.The economics of a plant for the conversion of heat into mechanical work by this method depends very much on the quality of the machines used. A halving of the losses, ie efficiency 90% instead of the previously assumed 80%, would triple the usefulness, under otherwise identical conditions. An improvement of the heat exchanger to half the value of the required temperature difference provides a benefit improvement to about twice the value, all other things being equal.

Ein noch größerer Nutzen oder ein Betrieb bei wesentlich tieferen Temperaturen des zur Verfügung stehenden Wärmereservoire lässt sich erreichen wenn noch ein zweiter Hilfskreislauf hinzugefügt wird der, ebenso wie der Hauptkreislauf, oberhalb des kritischen Druckes verläuft und, ebenso wie der Hauptkreislauf, zwischen flüssig und gasförmig wechselt.An even greater benefit or operation at much lower temperatures of the available Wärmereservoire can be achieved if a second auxiliary circuit is added, which, like the main circuit, runs above the critical pressure and, as the main circuit, between liquid and gaseous changes ,

Die im Hauptkreislauf zur Verflüssigung des Betriebsmittels abzuführende Wärme wird dabei mit Hilfe des ersten, gasförmig bleibenden Hilfskreislaufes, an den Hochdruckteil des zweiten Hilfskreislaufes übertragen.The dissipated in the main circuit to liquefy the equipment heat is transferred using the first, gaseous auxiliary circuit, to the high pressure part of the second auxiliary circuit.

Der zweite Hilfskreislauf verrichtet in seiner Expansionsstufe-(adiabatische Zustandsänderung)mechanische Arbeit wodurch die Temperatur des Betriebsmittels abnimmt. Die noch bis zur Verflüssigung abzuführende Wärme wird an den unteren Bereich des Hochdruckteils vom Hauptkreislauf übergeben. Diese Wärmeübergabe ist möglich, wenn das Arbeitsmittel im zweiten Hilfskreislauf eine kritische Temperatur hat die höher ist als die kritische Temperatur im Hauptkreislauf und zwar mindestens soviel höher als die benötigte Temperaturdifferenz in dem Wärmetauscher. Oder, wenn der Hauptkreislauf noch um die benötigte Temperaturdifferenz tiefer als die kritische Temperatur abgekühlt wird. Die Skizze (siehe Zeichnungen 7) zeigt das Zusammenwirken der einzelnen Komponenten. Die eingetragenen Temperaturwerte ergeben sich, wenn der Hauptkreislauf mit Luft und der zweite Hilfskreislauf mit Sauerstoff betrieben wird. Für den ersten Hilfskreislauf könnte z. B. Stickstoff als Betriebsmittel eingesetzt werden. Das Druckverhältnis wurde im Hauptkreislauf und im zweiten Hilfskreislauf mit 400 bar zu 50 bar angesetzt. Im übrigen wurden die im ersten Beispiel gemachten Annahmen beibehalten.The second auxiliary circuit performs mechanical work in its expansion stage (adiabatic change of state) whereby the temperature of the equipment decreases. The heat to be dissipated until the liquefaction is transferred to the lower part of the high pressure part of the main circuit. This transfer of heat is possible when the working fluid in the second auxiliary circuit has a critical temperature which is higher than the critical temperature in the main circuit and at least as much higher than the required temperature difference in the heat exchanger. Or, if the main circuit is still cooled by the required temperature difference lower than the critical temperature. The sketch (see drawings 7 ) shows the interaction of the individual components. The entered temperature values result when the main circuit is operated with air and the second auxiliary circuit with oxygen. For the first auxiliary circuit z. B. nitrogen can be used as resources. The pressure ratio was set in the main circuit and in the second auxiliary circuit with 400 bar to 50 bar. For the rest, the assumptions made in the first example were retained.

Fazit:Conclusion:

Der zweite Hauptsatz der Wärmelehre besagt in strenger Auslegung: Wärme geht nicht von selbst von einem Körper mit niedriger Temperatur auf einen Körper mit höherer Temperatur über. Die daraus abgeleitete, zur Zeit allgemeingültige Behauptung, es sei unmöglich eine Maschine zu konstruieren, die nichts weiter bewirkt als einem Wärmereservoire Wärme zu entziehen und in mechanische Arbeit umzuwandeln, ist falsch.The second law of thermodynamics states in a strict interpretation: Heat does not spontaneously pass from a low temperature body to a higher temperature body. The inferred, now generally accepted claim that it is impossible to design a machine that does nothing but extract heat from a heat reservoir and convert it into mechanical work is wrong.

Claims (1)

Die Niedertemperaturhochdruckwärmeumformung ist ein Verfahren zur Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit, bei niederen Temperaturen und hohen Drücken. Dadurch gekennzeichnet, dass die zur Umwandlung bestimmte Wärmemenge der normalen, am Betriebsort vorhandenen Umgebungswärme, entnommen werden kann. Dies wird dadurch möglich gemacht, dass in einem thermodynamischen Kreisprozess mit Wärmetauschern, Expansionsmaschine und Speisepumpe, die Rückführung des gasförmigen Betriebsmittels in den flüssigen Zustand bei einem Druck oberhalb des kritischen Gasdruckes erfolgt. Die einzelnen Anlagenteile zu einem solchen Verfahren sind gegeneinander und gegen außen so gut zu isolieren, dass -außer in den Wärmetauschern- kein wesentlicher Wärmeaustausch stattfindet.Low temperature high pressure heat forming is a process for converting heat into mechanical work, at low temperatures and high pressures. Characterized in that the amount of heat for conversion normal, existing at the site ambient heat, can be removed. This is made possible by the fact that in a thermodynamic cycle with heat exchangers, expansion machine and feed pump, the return of the gaseous operating medium in the liquid state at a pressure above the critical gas pressure. The individual plant components for such a process are to be isolated against each other and against the outside so well that -except in the heat exchangers-no substantial heat exchange takes place.
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