DE19804845A1 - Verfahren zur direkten Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur direkten Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie ohne Wärmeabgabe an die Umgebung.

Bei den bisher bekannten Methoden zur Gewinnung von mechanischer Energie mit Ein- oder Mehrkomponenten-Arbeitsmitteln wird eine teilweise oder vollständige Kondensation des Arbeitsmittels durch eine Wärmeabgabe an die Umgebung erreicht und der sich dabei je nach Arbeitsmittel einstellende Druck als Gegendruck für eine Expansionsmaschine benutzt, mit der bei der Gas- oder Dampf-Entspannung von höherem Druck auf diesen Gegendruck mechanische Energie gewonnen wird.

Bekannt sind Wärmekraftprozesse mit Gemischen, um zur Verbesserung des Wirkungsgrades gegenüber Einkomponentensystemen zu kommen, so aus den Patentschriften DE 1 55 744 mit mehrmaliger Expansion und Kompression, aus der US-Patentschrift US 4 242 870 zur besseren Nutzung der Heizquelle sowie aus der US-Patentschrift US 4 553 397 zur isen­ thalpen Kompression.

Es ist weiterhin bekannt, daß binäre Gemische dann ein besonderes Verhalten zeigen, wenn der System-Gesamtdruck über dem kritischen Druck einer der Komponenten liegt. Dieses Verhalten ist dadurch gekennzeichnet, daß bei konstanter Temperatur durch Druckabsenkung ein zunächst zunehmender Kondensatausfall einsetzt, der sich jedoch bei weiterer Druck­ absenkung wieder zurückbildet, um bei noch geringeren Drücken ganz zu verschwinden, also in die Gasphase zurückfällt. Dieser Vorgang ist thermodynamisch von Karl Stephan und Franz Mayinger im 2. Band des Buches "Thermodynamik, Grundlagen und technische Anwen­ dungen; Mehrstoffsysteme und chemische Reaktionen" 13. Auflage, Springer-Verlag Berlin, 1992, auf den Seiten 71-75 näher beschrieben und wird als retrograde Kondensation bezeichnet.

Unter Zuhilfenahme dieser Erscheinung liegen außerdem Vorschläge vor, den Wirkungsgrad des Wärmekraftprozesses zu verbessern, so in der Patentschrift DE 42 44 016 über ver­ zögerte Kondensatbildung sowie in einer deutschen Patentanmeldung der Firma Dökowa (aus DE 196 08 300 1994/95), die die Nutzung der unterschiedlichen Polytropenexponenten zum Ziele hat, wobei Wärme nach außen abzugeben ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Wärmeabgabe nach außen ganz zu vermeiden und eine direkte Umwandlung thermischer Energie in mechanische Arbeit zu erreichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Prozeßablauf gewählt wird, der im Bereich der retrograden Kondensation bei konstanter Temperatur abläuft, und mit Gemischen als Arbeitsmittel arbeitet, die diesen Effekt zeigen. Dies können zum Beispiel die Stoffpaare Butan-Stickstoff bei etwa 70°C und um 150 bar oder Kohlendioxid-Stickstoff bei etwa 0°C und um 100 bar sein, aber auch weitere Systeme sind denkbar. Der Prozeß startet im Bereich des höchstmöglichen Druckes, bei dem retrograde Kondensation einsetzt. Aus dem p, x-Diagramm für konstante Temperatur ist damit auch die Gemischkonzentration festgelegt. Es folgt eine Entspannung in einem Expander unter Arbeitsleistung auf einen Druck, bei dem ein Kondensatanfall von mehr als etwa 30% erreicht wird. Dann werden die Phasen unterschiedlicher Konzentrationen in einem Abscheider getrennt, einzeln auf den Ausgangs­ druck zurückgefördert und dort wieder in einem Behälter miteinander gemischt. Durch gleichzeitige Wärmezufuhr wird der Ausgangsdruck wieder erreicht.

Es erfolgt keine Wärmeabfuhr nach außen und die für die Wirksamkeit des Prozesses größenmäßig entscheidende Verdichtungsarbeit für die Dampfphase, die die Arbeits­ gewinnung bei der Expansion schmälert, ist wesentlich durch die Kondensatabtrennung reduziert. Dagegen fällt die Pumpenarbeit für die flüssige Phase weniger ins Gewicht. Es wird je nach Stoffpaarung und Prozeßdatenfestlegung optimale Werte für die Auswahl von Gegendruck und Konzentration geben. Der Expander hat einen ständig wachsenden Kondensatanfall zu verarbeiten.

Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Prozeßfließbildes nachstehend erläutert:

Der Behälter 1 ist mit einem geeigneten Gemisch zweier Stoffe bestimmter Konzentration gefüllt und der Dampfphasenstutzen über die Rohrleitung 2 mit dem Expander 3 verbunden. Bei der Entspannung auf den Druck des Abscheiders 4 kann an der Welle 5 des Expanders Arbeit geleistet werden, die an einen angekoppelten Kompressor 6 und einen Generator 7 weitergegeben wird. Der Ausgang des Expanders ist über die Rohrleitung 8 mit dem Abscheider 4 verbunden, in dem das angefallene Kondensat von der Dampfphase getrennt wird. Der Dampfraum des Abscheiders ist mit dem Kompressor 6 über die Rohrleitung 9 verbunden. Nach der Verdichtung der Dampfphase auf den Druck von Behälter 1 wird der verdichtete Dampf über die Rohrleitung 10 in die flüssige Phase des Gemisches in Behälter 1 geleitet. Das im Abscheider getrennte Kondensat wird über Rohrleitung 11 der Pumpe 12 zugeführt, die es über die Rohrleitung 13 in den Behälter 1 zurückfördert. Während der Mischung der Phasen im Behälter 1 wird über die Wärmezufuhreinrichtung 14 thermische Energie in das System geleitet, wodurch der Ausgangsdruck wieder erreicht wird.

Claims (1)

1. Kreisprozeß zur direkten Umwandlung thermischer Energie in mechanische Energie ohne Wärmeabgabe nach außen, der als Arbeitsmittel ein Gemisch mehrerer Komponenten verwendet, das unter bestimmten Druck- und Temperaturbedingungen eine retrograde Kondensation zeigt, dadurch gekennzeichnet, daß

   • 1. eine Expansion im Gebiet der retrograden Kondensation unter Arbeitsleistung stattfindet, eine Trennung der Phasen nach der Entspannung vorgenommen und die Rückführung der Dampfphase über Verdichtung sowie der flüssigen Phase durch Pumpenförderung auf den Ausgangsdruck durchgeführt wird, wobei im Verlauf der Rückvermischung thermische Energie zuzuführen ist.
   • 2. der Prozeß bei konstanter Temperatur abläuft, womit die Ausgangsdruck- und Mischungs­ verhältnisse je nach gewähltem Gemisch festliegen.
   • 3. der Gegendruck so gewählt wird, daß ein Kondensatanfall von mehr als 30% auftritt
   • 4. Expansionsmaschinen nach dem Schrauben- und/oder Spiralprinzip eingesetzt werden, die Flüssigkeiten verarbeiten können.