DE4042305A1

DE4042305A1 - Verfahren zur umwandlung von verbrennungswaerme in mechanische arbeit

Info

Publication number: DE4042305A1
Application number: DE4042305A
Authority: DE
Inventors: Rolf Bergter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-12-31
Filing date: 1990-12-31
Publication date: 1992-07-02

Description

Es gibt zahlreiche Wärmekraftmaschinen, die auf unterschiedlichen Kreisprozessen beruhen, wie beispielsweise dem Carnotschen oder dem Stirlingschen Kreisprozeß (Literatur: Wilfried Kuhn, Physik, Band IIIB, Georg Westermann Verlag, Erscheinungsjahr 1976, Seiten 112-121). Dabei gilt für den Wirkungsgrad η von beliebigen Wärmekraftmaschinen, die dadurch mechanische Arbeit verrichten, daß sie den Temperaturunterschied zwischen einem Wärmereservoir mit der Temperatur T_I und einem Wärmereservoir mit der niedrigeren Temperatur T_II ausnutzen:

Für Wärmekraftmaschinen, die nur Wärme an ein Wärmereservoir abgeben können, ohne dabei Wärme aus einem heißeren Wärmereservoir zu entnehmen, muß Ausdruck (1) nicht gelten.

Zu der Gruppe von Wärmekraftmaschinen, für die Ausdruck (1) nicht gelten muß, gehören die Verbrennungskraftmaschinen, deren Wirkungsgrade bisher aber noch weit vom Wert η=1 (bzw. 100%) entfernt sind. Ein Wirkungsgrad von η≃0,4 (bzw. 40%) gilt als guter Wert. Ein Grund dafür ist die Abwärme der Verbrennungsprodukte, die nicht optimal genutzt wird. Hinzu kommt, daß bei den bisher bekannten Verfahren zur Umwandlung von Verbrennungswärme in mechanische Arbeit auch die Wärmeenergie, die bei der katalytischen Abgasreinigung frei wird, nicht in mechanische Arbeit umgewandelt wird.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, den Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Verbrennungswärme in mechanische Arbeit zu verbessern.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind der hohe Wirkungsgrad, der dem Grenzwert von 100% entgegenstrebt, wenn die Wärmekapazität des Brennstoff- Luft-Gemisches näherungsweise so groß ist, wie die seiner Verbrennungsprodukte, wenn außerdem sowohl Kompression als auch Ausdehnung des Arbeitsgases adiabatisch verlaufen, wenn weiter im Wärmetauscher ein möglichst idealer Wärmeaustausch stattfindet und wenn schließlich die Kompression auf immer höhere Werte gesteigert wird. Da die Kompression und die Ausdehnung des Arbeitsgases nicht isotherm, sondern adiabatisch verlaufen sollen, kann der Kreisprozeß schnell ablaufen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Anspruch 2 angegeben. Die Weiterbildung nach Anspruch 2 ermöglicht es, den Wirkungsgrad dieses Verfahrens noch zu steigern, wenn die Verbrennung im Wärmetauscher nach Anspruch 1 nicht vollständig zu den thermodynamisch stabilsten Verbrennungsprodukten führt, weil die bei der katalytischen Abgasreinigung gebildete Wärme zur zusätzlichen Erwärmung des Arbeitsgases im Wärmetauscher genutzt werden kann.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Anspruch 3 angegeben. Die Weiterbildung nach Anspruch 3 ermöglicht es, einerseits ein anderes Arbeitsgas als Luft zu verwenden, wie beispielsweise Edelgas, das auch bei der hohen Temperatur T3 zu keiner Korrosion der Wärmekraftmaschine führt. Andererseits läßt sich die Erzeugung mechanischer Arbeit für einen Durchlauf des Kreisprozesses durch Erhöhung des Druckes P1 steigern.

Die letzte vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Anspruch 4 angegeben. Die Weiterbildung nach Anspruch 4 ermöglicht es, den Wirkungsgrad dieses Verfahrens noch weiter zu steigern. Dabei dürften gasförmige Brennstoffe keine Probleme machen.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel nach Anspruch 1. Die auf der linken und rechten Seite der Zeichnung dargestellten Hubkolbenkonstruktionen sind nur ein denkbares Mittel zur Kompression bzw. Expansion des Arbeitsgases unter Verrichtung mechanischer Arbeit. In den Wärmetauscher, der sich in der Mitte der Zeichnung von unten nach oben erstreckt, ist der Brenner integriert. In dem Brenner werden die auf die Temperatur T5 vorgewärmte Luft und der nicht vorgewärmte Brennstoff vermischt und entzündet. Über dem Brenner am unteren Ende des Wärmetauschers ist eine Flamme dargestellt, die die Verbrennung symbolisieren soll. Die höchste Temperatur in der Verbrennungszone ist T6. Nach oben hin nimmt die Temperatur der Verbrennungsprodukte bis auf die Temperatur T8 ab, bevor sie den Wärmetauscher verlassen. Die Pfeile geben die Strömungsrichtungen von Arbeitsgas, Luft, Brennstoff und Verbrennungsprodukten an;

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel nach Ansprüchen 1 und 3. Die Zeichnung unterscheidet sich von der in Fig. 1 nur durch den geschlossenen Kreislauf für das Arbeitsgas, wobei als weiterer Verfahrensschritt noch die Kühlung des Arbeitsgases durch das umgebende Medium der Wärmekraftmaschine hinzukommt;

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel nach Ansprüchen 1, 3 und 4. Die Zeichnung unterscheidet sich von der in Fig. 2 nur dadurch, daß auch der Brennstoff im Wärmetauscher auf die Temperatur T9 vorgewärmt wird;

Fig. 4 einen Sonderfall des Ausführungsbeispiels nach Ansprüchen 1, 3 und 4, wie es in Fig. 3 für den allgemeinen Fall angegeben ist. Dieser Sonderfall tritt ein, wenn die Wärmekapazität des Brennstoff-Luft-Gemisches näherungsweise so groß ist, wie die seiner Verbrennungsprodukte. In einem Wärmetauscher, in dem die Wärmeleitung in Strömungsrichtung vernachlässigbar ist und nur senkrecht zu den parallel, aber entgegengerichtet strömenden wärmetauschenden Medien stattfindet, ist dann bei ausreichend langsamen Strömungsgeschwindigkeiten die Temperatur senkrecht zur Strömungsrichtung in beiden Medien gleich. Analoge Überlegungen sollen auch für den Wärmeaustausch zwischen Arbeitsgas und Verbrennungsprodukten gelten.

Nachfolgend soll der Wirkungsgrad für die Wärmekraftmaschine in Fig. 4 berechnet werden. In ihr sollen Kompression und Expansion adiabatisch, also ohne Austausch von Wärme mit der Umgebung, verlaufen. Zur Brechnung gibt es zwei Wege.

Weg 1

Es wird davon ausgegangen, daß die erzeugte mechanische Arbeit gleich der zugeführten Verbrennungswärme, ΔQ_Verbr, abzüglich der Abwärme, ΔQ_Abw, ist, so daß für den Wirkungsgrad gilt:

Die zugeführte Verbrennungswärme wird vollständig auf das Arbeitsgas, das bei konstantem Druck die Molwärme C_m,p besitzt, übertragen, weil die Verbrennungsprodukte beim Verlassen der Wärmekraftmaschine ja die Temperatur T1, also die Umgebungstemperatur, besitzen. Für 1 Mol Arbeitsgas gilt wegen der Erwärmung bei konstantem Druck

ΔQ_Verbr = C_m,p · (T3-T2) (3)

Auch die Abwärme wird durch Abkühlung des Arbeitsgases bei konstantem Druck an die Umgebung abgegeben. Es gilt:

ΔQ_Abw = C_m,p · (T4-T1) (4)

Einsetzen der Gleichungen (3) und (4) in Gleichung (2) ergibt:

Wegen der Adiabatengleichung

konstant = (6)

mit der universellen Gaskonstanten R gilt:

Aus Gleichungen (7) und (8) folgt:

Löst man Gleichung (9) nach T4 auf und setzt den so erhaltenen Ausdruck in Gleichung (5) ein, dann ergibt sich für den Wirkungsgrad:

Die Druckabhängigkeit des Wirkungsgrades ergibt sich durch Einsetzen von Gleichung (7) in (10):

Ließe sich die Kompression unendlich steigern, so daß P1/P2=0 wäre, dann würde sich ein Wirkungsgrad von 100% ergeben.

Weg 2

Es wird von Gleichung (12) ausgegangen:

Der Betrag der von der Wärmekraftmaschine verrichteten Arbeit, | -ΔW |, ist die Summe aller mechanischen Arbeiten, die von außen zugeführt (positives Vorzeichen) bzw. nach außen abgegeben (negatives Vorzeichen) werden.

1. Adiabatische Kompression: W1 = +C_m,v · (T2-T1) (13)
2. Isobare Expansion: W2 = -R · (T3-T2) (14)
3. Adiabatische Expansion: W3 = -C_m,v · (T3-T4) (15)
4. Isobare Kompression: W4 = +R · (T4-T1) (16)

Darin ist C_m,v die Molwärme des Gases bei konstantem Volumen. Die Arbeit ΔW, die ein Mol eines Gases beim Durchlauf des Kreisprozesses verrichtet, ist also

ΔW = W1 + W2 + W3 + W4 (17)

Damit gilt:

Mit C_m,v=C_m,p-R ergibt sich aus Gleichung (18):

Da T3<T2, läßt sich Gleichung (20) auch so schreiben:

Der Ausdruck zwischen den Betragszeichen in Gleichung (21) ist bis auf das Vorzeichen mit dem Ausdruck von Gleichung (5) identisch. Da Gleichung (5) nur positive Werte liefern kann, liefert der Term zwischen den Betragszeichen von Gleichung (21) nur negative Werte. Es folgt also

Ab Gleichung (22) unterscheiden sich Weg 1 und Weg 2 zur Herleitung von Gleichungen (10) und (11) nicht mehr.

Claims

1. Verfahren zur Umwandlung von Verbrennungswärme in mechanische Arbeit, dadurch gekennzeichnet, daß

1.1 ein Arbeitsgas mit der Temperatur T1 und dem Druck P1 angesaugt und komprimiert wird, bis es die Temperatur T2 und den Druck P2 erreicht hat,
1.2 das Arbeitsgas dann durch ein Wärmetauschverfahren auf die Temperatur T3 erwärmt wird, was dadurch erreicht wird, daß
- 1.2.1 die Temperatur der zur Verbrennung benötigten Luft in einem Wärmetauscher auf die Temperatur T5 erhöht wird, bedingt durch eine der Strömungsrichtung der Verbrennungsprodukte entgegengesetzte Strömungsrichtung der zur Verbrennung benötigten Luft, wobei T1≦T5≦T7 gilt, während sich im Wärmetauscher dadurch die Temperatur der Verbrennungsprodukte von der Temperatur T7 auf die Temperatur T8 verringert, wobei T1≦T8≦T7 und T2≦T7≦T6 gilt, bevor mit dieser Luft dann
- 1.2.2 ein Brennstoff verbrannt wird, wobei die Verbrennungsprodukte, die die Temperatur T6 besitzen,
- 1.2.3 dann das Arbeitsgas mit der Anfangstemperatur T2 in einem Wärmetauscher auf die Temperatur T3 erwärmen, bedingt durch eine der Strömungsrichtung des Arbeitsgases entgegengesetzte Strömungsrichtung der Verbrennungsprodukte, während sich dadurch im Wärmetauscher die Temperatur der Verbrennungsprodukte von der Temperatur T6 auf die Temperatur T7 verringert und schließlich
1.3 das Arbeitsgas durch seine Ausdehnung mechanische Arbeit verrichtet und danach die Temperatur T4 und den Druck P1 besitzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher zusätzlich Substanzen enthält, die den Zweck der katalytischen Reinigung der bei der Verbrennung entstehenden Abgase haben, so daß die dabei gebildete Wärme zur zusätzlichen Erwärmung des Arbeitsgases im Wärmetauscher genutzt werden kann.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsgas nach seiner Expansion unter Abkühlung von der Temperatur T4 auf die Temperatur T0 bei dem Druck P1 wieder dem Kompressor zugeführt wird, wobei T1≦T0<T4 gilt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch der Brennstoff, ebenso wie die zur Verbrennung benötigte Luft, im Wärmetauscher erwärmt wird, wobei für diese Temperatur T9 dann T1≦T9≦T7 gilt.