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WO2004020793A1 - Energy conversion method and corresponding device - Google Patents

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Publication number
WO2004020793A1
WO2004020793A1 PCT/DE2003/002628 DE0302628W WO2004020793A1 WO 2004020793 A1 WO2004020793 A1 WO 2004020793A1 DE 0302628 W DE0302628 W DE 0302628W WO 2004020793 A1 WO2004020793 A1 WO 2004020793A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
heat
working gas
pressure
pressure vessel
gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/DE2003/002628
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Arnold Berdel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to AU2003260255A priority Critical patent/AU2003260255A1/en
Priority to EP03790678A priority patent/EP1527257A1/en
Publication of WO2004020793A1 publication Critical patent/WO2004020793A1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01KSTEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F01K25/10Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01KSTEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K27/00Plants for converting heat or fluid energy into mechanical energy, not otherwise provided for
    • F01K27/005Plants for converting heat or fluid energy into mechanical energy, not otherwise provided for by means of hydraulic motors

Definitions

  • the invention relates to a method for energy conversion according to a closed thermodynamic cycle, in particular according to the Carnot process, using a working gas, to which heat is supplied to perform work, and a device therefor.
  • the Carnot cycle has a relatively high thermal efficiency, which is only dependent on the upper and the lower limit temperature.
  • the technical implementation of this cycle is difficult because an isothermal change of state is practically impossible and because of the pressures that occur, compression is only possible within small temperature ranges.
  • wind power or solar radiation also proves to be problematic in the case of constant power supply, since if there is no wind or insufficient solar radiation, the capacity of a wind or solar power plant must be provided by a conventional power plant, which is sufficient if wind power or solar radiation is sufficient to generate electricity is only in a standby state. This means that energy supply companies and power plant operators incur high costs for providing energy to cover peak loads in electricity consumption, which represent a significant part of the purchase costs of electricity for consumers.
  • Fig. 7 is a schematic representation of an inventive device for performing the process.
  • FIG. 8 shows a schematic illustration of the device according to FIG. 7 in an alternative embodiment.
  • Fig. 1 shows a Carnot process that starts at point 1.
  • a quantity of heat supplied is partially converted into technical work W, with a working gas being expansive from point 1 to point 2. diert.
  • Tj the area and thus also the heat conversion below the Tj isotherm increases.
  • Starting point 1 should therefore be controlled periodically.
  • Carnot chooses the lowest possible temperature T 2 in the vicinity of the ambient temperature.
  • the working gas is compressed isothermally from point 3 to point 4.
  • the amount of heat expelled Q 2 corresponds to the work done on the gas. From point 4 to point 1 there is an adiabatic compression of the working gas, the temperature of which increases from T 2 to Ti.
  • a pressure cylinder 10 with a piston is shown below the cycle.
  • heat is expelled from the working gas.
  • the internal energy of the working gas is smaller at point 1 than at point 3.
  • the imagined, friction-free piston in the pressure cylinder 10 cannot reach the starting point 3 of the compression.
  • the possible return path that the piston will cover due to the internal energy of the working gas is shown by the dashed line.
  • the isentropic expansion begins in the direction of point 4.
  • the piston of the pressure cylinder 10 does not change the downward direction at point 4 but does isentropic work up to point 5.
  • the work performed corresponds to the area under the isentropes 1-4 -5.
  • the pressure force of the working gas acts on the piston from one side and the air pressure p Lc ⁇ of the environment from the other side. Both pressures and the corresponding forces are in amount and Direction the same size but directed in opposite directions.
  • the working gas temperature T 3 at point 5 is lower than the working gas temperature T 2 and has reached the minimum.
  • the working gas uses the temperature difference to the environment and absorbs heat.
  • the temperature of the working gas rises and its volume increases under the action of the piston isobarically.
  • the piston is moved to the right in the direction of point 3.
  • the process ends when the temperature of the working gas has reached the ambient temperature T2.
  • the left-handed cycle ends at point 3.
  • the expansion work done by the working gas is less than the compression work done.
  • the process flow for reproductive work efficiency between points 5 and 3 is significant for the technical use of ambient heat.
  • the working gas temperature is T 3 for the piston position in point 5 and T 2 for the piston position in point 3.
  • the working gas expands from T 3 to T 2 , where T 3 ⁇ T 2
  • the piston does mechanical work on the environment. This work cannot be used technically. Nevertheless, there are other starting points here that show how a thermal process can be controlled in order to use the ambient heat or generally use thermal energy more efficiently.
  • the atmospheric air pressure acts on the piston at point 5 or at piston position 5 as an equally large, oppositely directed force.
  • the process flow direction changes.
  • the piston does mechanical work due to the internal energy of the working gas.
  • the working gas temperature drops from Ti to T 3 .
  • the working gas absorbs ambient heat and performs mechanical work due to the amount of heat supplied.
  • the working gas temperature rises and the gas volume increases. Due to the infinitesimally higher gas working pressure, the piston moves in the direction of point 3 and does mechanical work.
  • the working gas reaches the temperature T 2 . Further heat absorption is no longer possible. Reproductive energy generation ends at the expense of ambient heat.
  • a working gas along the isotherms i takes heat from a heat container, the temperature of which does not change during the process, and does the corresponding amount of mechanical work.
  • the work generated corresponds to the area under the isotherms Ti according to FIGS. 2 and 3 and is limited by the curve points 1-2-bal.
  • an external force F mech x acts on the piston at point x, which force can be generated, for example, by a hydrostatic water column, the height of which does not change during the process.
  • the internal working gas force F t hx r acts on the piston and is calculated from the working gas pressure at x multiplied by the piston area A.
  • the working temperature is T x ⁇ Ti.
  • the internal force F th x acting on the piston forms an equilibrium of forces with the external force F meC h x - the isentropic expansion of the working gas stops .
  • the isentropic mechanical work corresponds to the area 1-xfal. Thermal energy generation has not yet ended.
  • thermodynamics takes this fact into account. After thermodynamic considers a process is supplied to the quantity of heat Q to as thermal energy. This thermal see energy (Q zu ) cannot be completely put into work after the assumption according to Newton's third axiom. Thermodynamics describes the deficit that arises from the energy conservation law as the entropy quantity.
  • the amount of heat Q is more of a type of thermal field property in which the heat conversion process takes place. Such an assumption makes perfect sense.
  • the amount of heat Q zu cannot be completely transferred into work based on force theoretical assumptions. However, as far as conversion is theoretically possible, the energy conservation rate applies without exception.
  • FIG. 4 shows the isobaric change in state of a gas between the Ti and T 2 isotherms.
  • An imaginary frictionless, mass-free piston moves within the pressure cylinder 10 on the path s.
  • the piston in the pressure cylinder 10 is in position X.
  • the pressure cylinder 10 is in a heat bath with the temperature Ti.
  • the temperature of the working gas is T 2 ⁇ i.
  • the external force F meCh hydrostatic column, the height of which does not change during the process acts on the piston, creating a balance of forces Working gas pressure forms (F t h) -
  • the walls of the pressure cylinder 10 are heat-permeable.
  • the pressure cylinder 10 is accommodated in a heat bath with the temperature T 2 .
  • the working gas has the temperature Ti.
  • the applied force F mech shifts (hydrostatic column) the piston from Y to X.
  • the mechanical force F mech performs work on Ar ⁇ beitsgas adäguate and a quantity of heat is dissipated via the temperature gradient .DELTA.T 2 to the environment.
  • a state of equilibrium occurs again.
  • the working gas temperature is identical to the ambient temperature T. The system becomes static again and the movement of the piston ends.
  • the working gas is initially at the process starting point 1.
  • the working gas pressure ⁇ with the working gas temperature Ti forms a balance of forces with the external mechanical force -F mech .
  • the working gas expands isothermally from point 1 to point 2. Such a process is not technically possible because an entropy gap must be kept open.
  • a refrigerant is mechanically liquefied in a heat pump 11. This refrigerant has to evaporate again in a cycle. This process is also used in the cold steam power plant for energy reproduction. A hydrostatic pressure regulates the vapor pressure of the refrigerant. The necessary for the evaporation process of the refrigerant almost unlimited heat is available in the form of ambient heat.
  • the system has valves 14 to 18, which are initially closed.
  • the pressure vessel 12 is connected to the heat pump 11 via two transport lines 19 for supply and return.
  • high tanks 20, 21 coupled to the risers 13 and arranged at different heights and the pressure tank 12 are built relatively flat.
  • the vapor pressure of the refrigerant is above 5 bar at ambient temperature (approx. 280 K).
  • the refrigerant is compressed and liquefied by the heat pump 11.
  • the density of the liquefied refrigerant is lower than the density of water and the refrigerant is chemically neutral to water.
  • the valves 16, 18 are opened so that the refrigerant passes from the heat pump 11 via the one feed line 19 to the pressure vessel 12, which is now connected to the upper elevated tank 20 via the one riser line 13.
  • the feed line 19 is fed in and the valve 18 inserted in the feed line 19 is closed, the refrigerant begins to evaporate and displaces a corresponding volume of water to the elevated tank 20
  • Evaporation process ends when the gas pressure of the refrigerant and the hydrostatic pressure of the water column has reached a stable equilibrium.
  • the potential energy of the water obtained in the elevated tank 20 corresponds to the amount of heat absorbed and is higher than the mechanical work involved.
  • the system presented is mainly used for simple reasoning. An absolute energy yield is not considered here.
  • the process control for using the environmental heat ends prematurely here.
  • the valve 15 to the lower elevated tank 21 is closed and the valve 17 inserted into the feed line 19 designed as a return is opened.
  • the working gas, ie the refrigerant is supplied to the heat pump 11 for compression due to the prevailing excess pressure via the feed line 19.
  • valve 1 opens.
  • the denser water pushes the remaining refrigerant via the feed line 19 to the heat pump 11 and at the same time fills the pressure vessel 12.
  • the refrigerant circuit is closed.
  • the potential energy of the water obtained from the process is converted into electrical energy by means of a water turbine 22 if required.
  • a power plant 23 for generating electrical energy, the power plant 23 being able to be designed, for example, as a thermal, wind or photovoltaic power plant, which is connected via electric lines 24 to compressors 25 for compressing gas (air) as well as a water turbine 22 is connected to generate electricity.
  • the power plant 23 Electricity for driving the compressors 25 is supplied.
  • the compression work is converted into heat and given off for heating purposes.
  • the compressed air reservoir 27 is connected via a control valve 28 to the pressure tank 12 filled with water.
  • the pressure vessel 12 is coupled to a water reservoir 31 via a feed line 29 and a return line 30. There is a height difference ⁇ h between the water surface in the water reservoir 31 and the lower edge of the pressure vessel 12.
  • shut-off valves 32, 33 inserted into the feed line 29 and the return line 30 are closed.
  • the gas acts on the water inside the pressure vessel 12 due to its expansion, so that the hydrostatic pressure ( ⁇ h) inside the pressure vessel 12 rises to the gas pressure p.
  • the shut-off valve 32 inserted into the feed line 29 opens, the water flows from the pressure vessel 12 with the pressure into the water turbine 22, which converts the mechanical energy into electrical energy.
  • the gas expands from ⁇ p to ⁇ h, absorbing ambient heat.
  • the heat exchange between the water and the gas is influenced by appropriately dimensioning the flow line 29 or adjusting the flow rate by appropriately adjusting the control valve 28 or shut-off valve 32 or by inserting a control valve into the flow line.
  • the water turbine 22 supplies the electrical energy obtained from the mechanical work via the electrical lines 24 to the power plant 23 or end user.

Landscapes

  • 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

The invention relates to an energy conversion method in accordance with a closed thermodynamic cyclic process, in particular in accordance with the Carnot cycle, said method using a working gas, to which heat is supplied in order to perform the work. The temperature of the working gas is controlled by a mechanical counter-pressure acting on the working gas, said pressure being proportional and working in opposition to the pressure of the working gas.

Description

Verfahren zur Energieumwandlung und Vorrichtung dazu Energy conversion method and apparatus therefor

Beschreibungdescription

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Energieumwandlung nach einem geschlossenen thermodynamischen Kreispro- zess, insbesondere nach dem Carnot-Prozess, unter der Nutzung eines Arbeitsgases, dem zur Verrichtung von Arbeit Wärme zugeführt wird, und eine Vorrichtung dazu.The invention relates to a method for energy conversion according to a closed thermodynamic cycle, in particular according to the Carnot process, using a working gas, to which heat is supplied to perform work, and a device therefor.

Der Carnotsche Kreisprozess besitzt einen relativ hohen thermischen Wirkungsgrad, der nur von der oberen und der unteren Grenztemperatur abhängig ist. Die technische Realisierung diese Kreisprozesses ist jedoch schwierig, da eine isotherme Zustandsänderung praktisch nicht durchführbar und eine adia- bate Kompression wegen der auftretenden Drücke nur innerhalb kleiner Temperaturbereiche möglich ist.The Carnot cycle has a relatively high thermal efficiency, which is only dependent on the upper and the lower limit temperature. However, the technical implementation of this cycle is difficult because an isothermal change of state is practically impossible and because of the pressures that occur, compression is only possible within small temperature ranges.

In der Praxis ist es erforderlich, dass Kraftwerkbetreiber bzw. Energieversorgungsunternehmen die Spannung im elektrischen Netz zur Sicherung der Versorgung ihrer Kunden konstant halten. Um Verbrauchsschwankungen auszugleichen, ist es erforderlich, neben der zur Sicherung einer Grundlast benötigten Energie ständig eine Energiereserve bereitstellen, die zumindest teilweise in Pumpspeicherkraftwerken vorgehalten wird. In Zeiten mit einem relativ geringen Energieverbrauch, meist nachts, wird elektrische Energie dazu verwendet, Wasser in dem Pumpspeicherkraftwerk auf ein relativ hohes Höhenniveau zu pumpen, um potentielle Energie zum Antrieb von Wasserturbinen zur Stromerzeugung in Zeiten relativ hohen Energiebedarfs zu speichern. Durch den Einsatz von einen relativ schlechten Wirkungsgrad aufweisenden Pumpspeicherkraftwerken verringern sich die Vorhaltekosten bei den Wärmekraftwerken, deren Energie zur Abdeckung von Verbrauchsspitzen eingesetzt wird. Auch die Nutzung alternativer Energie, also Windkraft oder Solarstrahlung, erweist sich bei der konstanten Stromversorgung als problematisch, da bei nicht vorhandenem Wind oder ungenügender Sonnenstrahlung die Kapazität eines Windoder Solarkraftwerkes durch ein konventionelles Kraftwerk bereitgestellt werden muss, das sich bei zur Stromerzeugung ausreichender Windkraft oder Solarstrahlung lediglich in einem Bereitschaftszustand befindet. Somit entstehen für Energieversorgungsunternehmen bzw. Kraftwerkbetreiber hohe Bereitstellungskosten für Energie zur Abdeckung von Spitzenlasten beim Stromverbrauch, die einen wesentlichen Teil der Bezugskosten des Stroms für den Verbraucher darstellen.In practice, it is necessary for power plant operators or energy supply companies to keep the voltage in the electrical network constant to ensure the supply to their customers. In order to compensate for fluctuations in consumption, it is necessary to constantly provide an energy reserve in addition to the energy required to secure a base load is at least partially maintained in pumped storage power plants. In times of relatively low energy consumption, mostly at night, electrical energy is used to pump water in the pumped storage power plant to a relatively high level in order to store potential energy for driving water turbines to generate electricity in times of relatively high energy requirements. The use of pumped storage power plants with a relatively poor efficiency reduces the maintenance costs for the thermal power plants, the energy of which is used to cover peak consumption. The use of alternative energy, i.e. wind power or solar radiation, also proves to be problematic in the case of constant power supply, since if there is no wind or insufficient solar radiation, the capacity of a wind or solar power plant must be provided by a conventional power plant, which is sufficient if wind power or solar radiation is sufficient to generate electricity is only in a standby state. This means that energy supply companies and power plant operators incur high costs for providing energy to cover peak loads in electricity consumption, which represent a significant part of the purchase costs of electricity for consumers.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit denen eine optimierte Prozessführung gewährleistet ist.It is an object of the invention to provide a method and a device of the type mentioned at the outset with which an optimized process control is ensured.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 3 gelöst.According to the invention the object is solved by the features of claims 1 and 3.

Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung dar .The subclaims represent advantageous embodiments of the Invention.

Mit der erfindungsgemäßen Art der Temperatursteuerung bei dem Kreisprozess wird eine effiziente Prozessführung erzielt, die eine relativ hohe Energieausbeute unter einem hohen Wirkungsgrad zur Folge hat. Diese Prozessführung resultiert aus Überlegungen bezüglich der Geltung des dritten Newtonschen Axioms in der Thermodynamik.With the type of temperature control according to the invention in the cyclic process, efficient process control is achieved, which results in a relatively high energy yield with a high degree of efficiency. This process control results from considerations regarding the validity of Newton's third axiom in thermodynamics.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind. Der Rahmen der vorliegenden Erfindung ist nur durch die Ansprüche definiert.It goes without saying that the features mentioned above and still to be explained below can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations. The scope of the present invention is defined only by the claims.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand mehrerer Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail below on the basis of several exemplary embodiments with reference to the associated drawings. Show it:

Fig.l Darstellungen eines Kreisprozesses nach dem erfin- bis dungsgemäßen Verfahren, Fig. 6Fig. 1 representations of a cycle according to the inventive method, Fig. 6th

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des Prozesses undFig. 7 is a schematic representation of an inventive device for performing the process and

Fig. 8 eine schematische Darstellung .der Vorrichtung nach Fig. 7 in einer alternativen Ausgestaltung.8 shows a schematic illustration of the device according to FIG. 7 in an alternative embodiment.

Fig. 1 zeigt einen Carnot-Prozess, der bei Punkt 1 startet. In diesem idealisierten Prozessablauf wird eine zugeführte Wärmemenge teilweise in technische Arbeit W überführt, wobei ein Arbeitsgas von Punkt 1 nach Punkt 2 isotherm expan- diert. Mit steigender Temperatur i vergrößert sich die Fläche und damit auch der Wärmeumsatz unterhalb der Tj-Isother- me . Für eine technische Anwendung muss ein Vorgang beliebig oft wiederholt werden. Ein einmaliger Vorgang liefert nur begrenzte Arbeit. Der Startpunkt 1 ist daher periodisch anzusteuern. Carnot wählt eine möglichst niedrige Temperatur T2 in der Nähe der Umgebungstemperatur. Das Arbeitsgas wird isotherm von Punkt 3 nach Punkt 4 verdichtet. Die ausgetriebene Wärmemenge Q2 entspricht der aufgewandten Arbeit am Gas. Von Punkt 4 nach Punkt 1 erfolgt eine adiabate Kompression des Arbeitsgases, wobei dessen Temperatur von T2 auf Ti steigt.Fig. 1 shows a Carnot process that starts at point 1. In this idealized process flow, a quantity of heat supplied is partially converted into technical work W, with a working gas being expansive from point 1 to point 2. diert. With increasing temperature i, the area and thus also the heat conversion below the Tj isotherm increases. For a technical application, a process must be repeated as often as required. A one-time operation provides only limited work. Starting point 1 should therefore be controlled periodically. Carnot chooses the lowest possible temperature T 2 in the vicinity of the ambient temperature. The working gas is compressed isothermally from point 3 to point 4. The amount of heat expelled Q 2 corresponds to the work done on the gas. From point 4 to point 1 there is an adiabatic compression of the working gas, the temperature of which increases from T 2 to Ti.

Zur Veranschaulichung der Kompression und der Expansion des Arbeitsgases ist unterhalb des Kreisprozesses ein Druckzylinder 10 mit einem Kolben dargestellt. Auf dem Weg von Punkt 3 nach Punkt 4 wird dem Arbeitsgas Wärme ausgetrieben. Die innere Energie des Arbeitsgases ist bei Punkt 1 kleiner als bei Punkt 3. Ohne Wärmezufuhr kann der gedachte, reibungsfrei gelagerte Kolben im Druckzylinder 10 den Anfangspunkt 3 der Kompression nicht erreichen. Den möglichen Rückweg, den der Kolben aufgrund der inneren Energie des Arbeitsgases zurücklegen wird, ist durch die gestrichelte Linie dargestellt. Bei der Temperatur i beginnt die isentrope Expansion in Richtung Punkt 4. Anders als bei der Verdichtung ändert der Kolben des Druckzylinders 10 bei Punkt 4 nicht die Abiaufrichtung sondern leistet isentrope Arbeit bis Punkt 5. Die geleistete Arbeit entspricht der Fläche unter der Isentropen 1-4-5. Bei Punkt 5 tritt eine Richtungsänderung ein. Am Kolben greift von der einen Seite die Druckkraft des Arbeitsgases und von der anderen Seite der Luftdruck pLcι der Umgebung an. Beide Drücke bzw. die entsprechenden Kräfte sind in Betrag und Richtung gleich groß aber entgegengesetzt gerichtet. Die Arbeitsgastemperatur T3 bei Punkt 5 ist kleiner als die Arbeitsgastemperatur T2 und hat das Minimum erreicht.To illustrate the compression and expansion of the working gas, a pressure cylinder 10 with a piston is shown below the cycle. On the way from point 3 to point 4, heat is expelled from the working gas. The internal energy of the working gas is smaller at point 1 than at point 3. Without the supply of heat, the imagined, friction-free piston in the pressure cylinder 10 cannot reach the starting point 3 of the compression. The possible return path that the piston will cover due to the internal energy of the working gas is shown by the dashed line. At temperature i the isentropic expansion begins in the direction of point 4. In contrast to the compression, the piston of the pressure cylinder 10 does not change the downward direction at point 4 but does isentropic work up to point 5. The work performed corresponds to the area under the isentropes 1-4 -5. At point 5 there is a change of direction. The pressure force of the working gas acts on the piston from one side and the air pressure p Lc ι of the environment from the other side. Both pressures and the corresponding forces are in amount and Direction the same size but directed in opposite directions. The working gas temperature T 3 at point 5 is lower than the working gas temperature T 2 and has reached the minimum.

Unter der Annahme, dass die Wände des Druckzylinders 10 wärmedurchlässig sind, nutzt das Arbeitsgas die Temperaturdifferenz zur Umgebung und nimmt Wärme auf. Die Temperatur des Arbeitsgases steigt und sein Volumen vergrößert sich unter der Wirkung des Kolbens isobar. Hierbei wird der Kolben nach rechts in Richtung Punkt 3 verschoben. Der Vorgang endet, wenn die Temperatur des Arbeitsgases die Umgebungstemperatur T2 erreicht hat. Der linksläufige Kreisprozess endet bei Punkt 3. Die vom Arbeitsgas verrichtet Expansionsarbeit ist geringer als die aufgewandete Verdichtungsarbeit.Assuming that the walls of the pressure cylinder 10 are heat-permeable, the working gas uses the temperature difference to the environment and absorbs heat. The temperature of the working gas rises and its volume increases under the action of the piston isobarically. The piston is moved to the right in the direction of point 3. The process ends when the temperature of the working gas has reached the ambient temperature T2. The left-handed cycle ends at point 3. The expansion work done by the working gas is less than the compression work done.

Zur technischen Nutzung der Umgebungswärme ist der Prozessablauf zur reproduktiven Arbeitsausbeute zwischen den Punkten 5 und 3 bedeutungsvoll. Bei der Kolbenstellung in Punkt 5 beträgt die Arbeitsgastemperatur T3 und bei der Kolbenstellung in Punkt 3 T2. Das Arbeitsgas expandiert von T3 nach T2, wobei T3 < T2 istThe process flow for reproductive work efficiency between points 5 and 3 is significant for the technical use of ambient heat. The working gas temperature is T 3 for the piston position in point 5 and T 2 for the piston position in point 3. The working gas expands from T 3 to T 2 , where T 3 <T 2

Im Abschnitt 5-3 nimmt das Arbeitsgas die Wärmemenge Qzu auf. Wärme wird bei dieser isobaren Prozessführung nicht abgeführt. Mithin ist anzunehmen, dass die zugeführte Wärmemenge Q2U vollständig in mechanische Arbeit überführt wird (W = Qzu = ΔV * p) . Die mechanische Arbeit wird an die Umgebung geleistet und ist energetisch nicht zu verwerten. Dennoch finden sich hier die entscheidenden Ansatzpunkte zur Nutzung der Umgebungswärme . Der in Fig. 2 dargestellte Kolben des Druckzylinders 10 bewegt sich während der isobaren Zustandsänderung von Punkt 5 nach Punkt 3. Das Volumen wächst bei konstantem Druck p um den Betrag ΔV und leistet Arbeit (W = p * ΔV) . Der auf den Kolben wirkende Druck errechnet sich aus p = F/A, wobei A die Fläche des Kolbens beschreibt. Die Volumenänderung ist definiert durch ΔV = A * s, wobei A die Fläche des Kolbens und s den zurückgelegten Weg des Kolbens aufgrund der zugeführten Wärmemenge Q2U beschreibt.In Section 5-3, the working gas absorbs the heat quantity Q at. Heat is not dissipated with this isobaric process control. It can therefore be assumed that the heat quantity Q 2U supplied is completely converted into mechanical work (W = Q zu = ΔV * p). The mechanical work is done to the environment and cannot be used for energy. Nevertheless, the crucial starting points for the use of ambient heat can be found here. The piston of the pressure cylinder 10 shown in FIG. 2 moves from point 5 to point 3 during the isobaric change of state. The volume increases by the amount ΔV at constant pressure p and does work (W = p * ΔV). The pressure acting on the piston is calculated from p = F / A, where A describes the area of the piston. The change in volume is defined by ΔV = A * s, where A describes the area of the piston and s the distance traveled by the piston due to the amount of heat Q 2U supplied.

Der direkte Zusammenhang zwischen der Wärmemenge Qzu und der verrichteten isobaren Arbeit (Wth) des Arbeitsgases wird wie folgt beschrieben:The direct relationship between the amount of heat Q zu and the isobaric work (W t h) of the working gas is described as follows:

Wth = mech = Qzu = F * S.Wth = mec h = Qzu = F * S.

Der Kolben leistet mechanische Arbeit an der Umgebung. Diese Arbeit ist technisch nicht verwertbar. Dennoch finden sich hier weitere Ansatzpunkte, die zeigen, wie ein thermischer Prozess zu steuern ist, um die Umgebungswärme zu nutzen bzw. Wärmeenergie generell effizienter einzusetzen.The piston does mechanical work on the environment. This work cannot be used technically. Nevertheless, there are other starting points here that show how a thermal process can be controlled in order to use the ambient heat or generally use thermal energy more efficiently.

Übt ein Körper auf einen anderen eine Kraft aus, so erfährt er von diesem eine entgegengerichtete gleiche Kraft. Kräfte treten immer paarweise und entgegengerichtet auf (F' =-F) . Dieses Reaktions- oder Wechselwirkungsprinzip ist von grundsätzlicher Natur. Liegen die Angriffspunkte von F und -F' in zwei verschiedenen Körpern entspricht dieser Zustand dem Newtonschen Reaktions- oder Wechselwirkungsprinzip.If a body exerts a force on another, it experiences an opposite, opposite force from it. Forces always occur in pairs and in opposite directions (F '= -F). This principle of reaction or interaction is of a fundamental nature. If the points of attack of F and -F 'lie in two different bodies, this state corresponds to Newton's principle of reaction or interaction.

Wenn zwei Kräfte an einem Körper (Kolben) angreifen (dem Betrag nach gleich oder ungleich, entgegengerichtet), so han- delt es sich nicht um Kraft und Reaktionskraft im Sinne des dritten Newtonschen Axioms. Im Falle des gleichen Betrages werden diese als Kompensationskräfte bezeichnet. Das grundlegende Newtonsche Gesetz muss sich gleichfalls in der Thermodynamik nachweisen lassen.If two forces act on one body (piston) (equal or unequal in amount, opposite), then it is not about force and reaction force in the sense of Newton's third axiom. In the case of the same amount, these are referred to as compensation forces. Newton's basic law must also be demonstrated in thermodynamics.

In Fig. 2 zeigt die isobare Zustandsänderung zwischen den Punkten 5 und 3, dass das Newtonsche Axiom gültig ist. Nach der Gleichung th = WmeCh = F * s wirkt eine Kraft F über den Weg s .2 shows the isobaric change in state between points 5 and 3 that Newton's axiom is valid. According to the equation th = W meC h = F * s, a force F acts over the path s.

Greift eine thermische Kraft Fth (Gasdruck) am Kolben an, dann muss dieser Kraft eine mechanische Kraft FmeCh entgegenwirken .If a thermal force F t h (gas pressure) acts on the piston, this force must be counteracted by a mechanical force F meCh .

Nach den Annahmen zu Fig. 2 greift beim Punkt 5 bzw. bei der Kolbenstellung 5 der atmosphärische Luftdruck am Kolben als gleichgroße, entgegengesetzt gerichtete Kraft an. Die Prozessablaufrichtung ändert sich. Entlang der Isentrope 1-4-5 leistet der Kolben mechanische Arbeit aufgrund der inneren Energie des Arbeitsgases. Die Arbeitsgastemperatur fällt von Ti auf T3. Ab Punkt 5 bzw. der Kolbenstellung 5 nimmt das Arbeitsgas Umgebungswärme auf und leistet mechanische Arbeit aufgrund der zugeführten Wärmemenge. Die Arbeitsgastemperatur steigt und das Gasvolumen vergrößert sich. Der Kolben bewegt infolge des infinitesimal höheren Gasarbeitsdruckes sich in Richtung Punkt 3 und leistet mechanische Arbeit. Am Punkt 3 bzw. in der Kolbenstellung 3 erreicht das Arbeitsgas die Temperatur T2. Eine weitere Wärmeaufnahme ist nicht mehr möglich. Die reproduktive Energieerzeugung auf Kosten der Umgebungswärme endet . Nach Carnot nimmt ein Arbeitsgas entlang der Isothermen i aus einem Warmebehalter, dessen Temperatur sich wahrend des Vorganges nicht ändert, Warme auf und leistet die entsprechende Menge mechanischer Arbeit. Die erzeugte Arbeit entspricht gemäß Fig. 2 und 3 der Flache unter der Isothermen Ti und wird von den Kurvenpunkten 1-2-b-a-l begrenzt.According to the assumptions relating to FIG. 2, the atmospheric air pressure acts on the piston at point 5 or at piston position 5 as an equally large, oppositely directed force. The process flow direction changes. Along the isentrope 1-4-5, the piston does mechanical work due to the internal energy of the working gas. The working gas temperature drops from Ti to T 3 . From point 5 or the piston position 5, the working gas absorbs ambient heat and performs mechanical work due to the amount of heat supplied. The working gas temperature rises and the gas volume increases. Due to the infinitesimally higher gas working pressure, the piston moves in the direction of point 3 and does mechanical work. At point 3 or in the piston position 3, the working gas reaches the temperature T 2 . Further heat absorption is no longer possible. Reproductive energy generation ends at the expense of ambient heat. According to Carnot, a working gas along the isotherms i takes heat from a heat container, the temperature of which does not change during the process, and does the corresponding amount of mechanical work. The work generated corresponds to the area under the isotherms Ti according to FIGS. 2 and 3 and is limited by the curve points 1-2-bal.

Bei der kraftetheoretischen Betrachtung taucht hier ein enormes Problem auf. Das Arbeitsgas expandiert - sich selbst u- berlassen - isentrop von Punkt 1 in Richtung Punkt 5. Die Reaktionskraft wird durch Gasmolekule erzeugt. Die regellose Bewegung der Gasmolekule ändert sich im Mittel in eine zielgerichtete Bewegung. Für diese Richtungsanderung muss die Massenträgheit der Gasmolekule überwunden werden.An enormous problem arises when considering force theory. The working gas expands - left to itself - isentropically from point 1 towards point 5. The reaction force is generated by gas molecules. The random movement of the gas molecules changes on average to a targeted movement. The inertia of the gas molecules must be overcome for this change in direction.

Gemäß Fig. 3 greift beim Punkt x am Kolben eine äußere Kraft Fmech x an, die z.B. durch eine hydrostatische Wassersaule, deren Hohe sich wahrend des Vorganges nicht verändert, erzeugt werden kann.According to FIG. 3, an external force F mech x acts on the piston at point x, which force can be generated, for example, by a hydrostatic water column, the height of which does not change during the process.

Auf den Kolben wirkt beim Punkt x gleichzeitig die innere Arbeitsgaskraft Fth xr die sich aus dem Arbeitsgasdruck bei x multipliziert mit der Kolbenflache A berechnet. Die Arbeitstemperatur betragt Tx < Ti. Die innere, am Kolben angreifende Kraft Fth x bildet ein Kräftegleichgewicht mit der von außen angreifenden Kraft FmeChx- Die isentrope Expansion des Arbeitsgases bricht ab. Die isentrop erzeugte mechanische Arbeit entspricht der Flache 1-x-f-a-l. Die thermische Energieerzeugung ist noch nicht beendet.At point x, the internal working gas force F t hx r acts on the piston and is calculated from the working gas pressure at x multiplied by the piston area A. The working temperature is T x <Ti. The internal force F th x acting on the piston forms an equilibrium of forces with the external force F meC h x - the isentropic expansion of the working gas stops . The isentropic mechanical work corresponds to the area 1-xfal. Thermal energy generation has not yet ended.

Obwohl im Punkt x ein momentanes Kräftegleichgewicht vor- liegt, befindet sich das System in einem thermischen Un- gleichgewichtszustand . Nach Carnot sollte der Prozess bei einer Arbeitsgastemperatur Ti ablaufen. Diese Arbeitsgastemperatur kann nicht angenommen werden. Stattdessen ist eine Arbeitsgastemperatur Tx (Tx < Ti) als Temperatur im Druckzylinder anzusetzen. Über die warmedurchlassigen Wände des Druckzylinders wird dem Arbeitsgas Warme zugeführt und die Ar- beitsgastemperatur steigt.Although there is a momentary balance of forces at point x the system is in a thermal imbalance state. According to Carnot, the process should run at a working gas temperature Ti. This working gas temperature cannot be assumed. Instead, a working gas temperature T x (T x <Ti) is to be used as the temperature in the pressure cylinder. Heat is supplied to the working gas via the heat-permeable walls of the pressure cylinder and the working gas temperature rises.

Die Wärmezufuhr an das Arbeitsgas erzeugt eine Zustandsande- rung, die isobar erfolgt. Der Kolben bewegt sich dann nach rechts, wenn die Bedingung Kraft Fth > Fch erfüllt ist. Dabei wird sich die thermische Aktionskraft Fth im Betrag nur infinitesimal von der angreifenden Reaktionskraft FmeCh unterscheiden. Der Kolben strebt den Kräfte-Gleichgewichtszustand an und legt den Weg Δs zurück. Hierbei wird die zugefuhrte Wärmemenge in mechanische Arbeit umgewandelt. In Fig. 3 entspricht diese Umwandlungsrate der Flache unter der Isobaren x-y.The supply of heat to the working gas creates a change in state that is isobaric. The piston then moves to the right when the condition force Fth> F ch is fulfilled. The thermal action force F t h will only differ infinitesimally from the attacking reaction force F meCh . The piston strives for the equilibrium of forces and covers the distance Δs. The amount of heat supplied is converted into mechanical work. In Fig. 3, this conversion rate corresponds to the area under the isobar xy.

Anhand von Fig. 3 lasst sich noch eine weitere Aussage ableiten. Zu Beginn der isobaren Zustandsanderung beim Punkt x ist das wirksame Temperaturgefalle ΔTi > ΔT2. Damit lassen sich direkte Aussagen zur die Leistungsfähigkeit des Prozesses treffen. Der Wärmedurchgang und damit die übertragbare Wärmemenge Qzu, durch eine warmedurchlassige Wand ist von folgenden Faktoren abhangig:A further statement can be derived from FIG. 3. At the beginning of the isobaric change of state at point x, the effective temperature gradient is ΔTi> ΔT 2 . This allows direct statements to be made about the performance of the process. The heat transfer and thus the transmittable quantity of heat Q to, by a warmedurchlassige wall on the following factors dependent:

Q= Qzu =k A t ΔT= Wmech mit :Q = Qzu = k A t ΔT = W mech with:

Q die durch die ebene Wand übertragene Wärmemenge k Warmedurchgangskoeffizient A Durchgangsfläche t Zeit oder Dauer des WärmedurchgangesQ the amount of heat transferred through the flat wall k heat transfer coefficient A passage area t time or duration of heat transmission

ΔT Temperaturdifferenz vor und hinter der Wand.ΔT temperature difference in front of and behind the wall.

Fig. 3 zeigt, dass die Temperaturdifferenz ΔT zwischen der Ti-Isothermen und der Arbeitsgastemperatur variabel ist. Vom Maximum beim Prozesspunkt x verringert sich die Temperaturdifferenz ΔT stetig bis hin zum Endpunkt y auf null. Der thermische Ungleichgewichtszustand, die Vorraussetzung für den Wärmefluss, besteht nicht mehr. Das System hat den Gleichgewichtszustand erreicht. Wärme kann nicht mehr in mechanische Arbeit umgewandelt werden.3 shows that the temperature difference ΔT between the Ti isotherms and the working gas temperature is variable. From the maximum at process point x, the temperature difference ΔT decreases continuously to zero up to the end point y. The thermal imbalance state, the prerequisite for the heat flow, no longer exists. The system has reached equilibrium. Heat can no longer be converted into mechanical work.

Wie oben stehende Gleichung zeigt, endet die theoretische Umwandlungsmöglichkeit von Wärme in mechanische Arbeit vorerst bei Punkt y. Technische Probleme treten bereits zu einem früheren Zeitpunkt auf, wenn die Leistungsfähigkeit des Prozesses beurteilt wird. Unter Leistung versteht man das Verhältnis der verrichteten Arbeit zur benötigten Zeit.As the equation above shows, the theoretical possibility of converting heat into mechanical work ends at point y. Technical problems arise at an earlier point in time when the performance of the process is assessed. Performance is the ratio of the work performed to the time required.

P=W/t=Qzu/t Somit verringert sich die thermische Umwandlungsgeschwindigkeit von Wärme in mechanische Arbeit, wenn ΔT sehr klein wird. Zwar ist der Prozess noch immer energetisch fruchtbar, jedoch wird die Zeit t, in der eine Wärmemenge Qzu umgesetzt wird, sehr groß. Ein großer Betrag im Nenner bedeutet, dass die Wärmemenge Qzu nur sehr leistungsschwach umsetzt und letztlich technisch unbrauchbar wird.P = W / t = Q to / t Thus the thermal conversion rate from heat to mechanical work decreases when ΔT becomes very small. Although the process is still energetically fruitful, the time t in which a quantity of heat Q is converted becomes very long. A large amount in the denominator means that the amount of heat Q is converted to very poor performance and ultimately becomes technically unusable.

Die Thermodynamik trägt diesem Umstand im Ansatz Rechnung. Nach thermodynamischer Auffassung wird einem Prozess die Wärmemenge Qzu als thermische Energie zugeführt. Diese thermi- sehe Energie (Qzu) kann nach der Annahme entsprechend dem dritten Newtonschen Axiom nicht vollständig in Arbeit überführt werden. Den Fehlbetrag, der sich aus dem Energieerhaltungssatz einstellt, bezeichnet die Thermodynamik als Entropiemenge .Thermodynamics takes this fact into account. After thermodynamic considers a process is supplied to the quantity of heat Q to as thermal energy. This thermal see energy (Q zu ) cannot be completely put into work after the assumption according to Newton's third axiom. Thermodynamics describes the deficit that arises from the energy conservation law as the entropy quantity.

Wie sich nachfolgend zeigen lässt, stellt die Wärmemenge Qzu eher eine Art thermische Feldeigenschaft dar, in der der Wär- meumwandlungsprozess abläuft. Eine solche Annahme ist durchaus sinnvoll. Die Wärmemenge Qzu lässt sich aus kräftetheoretischen Annahmen heraus nicht vollständig in Arbeit überführen. Soweit jedoch eine Umwandlung kräftetheoretisch möglich ist, gilt der Energieerhaltungssatz ausnahmslos.As can be shown below, the amount of heat Q is more of a type of thermal field property in which the heat conversion process takes place. Such an assumption makes perfect sense. The amount of heat Q zu cannot be completely transferred into work based on force theoretical assumptions. However, as far as conversion is theoretically possible, the energy conservation rate applies without exception.

Der Umwandlungsprozess von Wärme in mechanische Arbeit ist zweifelsfrei nicht ausschließlich von einem thermischen Wirkungsgrad abhängig. Wärme wird dann in mechanische Arbeit umgewandelt, solange sich das Kräftepaar Fth =-Fmech im Ungleichgewichtszustand befindet. Das Kräftepaar strebt den Gleichgewichtszustand an und erzeugt entweder mechanische Arbeit oder am System wird Arbeit geleistet.The process of converting heat into mechanical work is clearly not solely dependent on thermal efficiency. Heat is then converted into mechanical work as long as the pair of forces F th = -F mech is in an unbalanced state. The pair of forces strive for equilibrium and either produce mechanical work or work is done on the system.

Fig. 4 zeigt die isobare Zustandsänderung eines Gases zwischen den Ti- und T2-Isothermen. Innerhalb des Druckzylinders 10 bewegt sich ein gedachter reibungsfrei gelagerter, massenloser Kolben auf der Wegstrecke s. Der Kolben im Druckzylinder 10 steht bei Stellung X. Der Druckzylinder 10 befindet sich in einem Wärmebad mit der Temperatur Ti. Die Temperatur des Arbeitsgases betrage T2 < i . Am Kolben greife die äußere Kraft FmeCh (hydrostatische Säule, deren Höhe sich während des Vorganges nicht ändert) an, die ein Kräftegleichgewicht zum Arbeitsgasdruck bildet (Fth)- Die Wände des Druckzylinders 10 sind wärmedurchlässig.4 shows the isobaric change in state of a gas between the Ti and T 2 isotherms. An imaginary frictionless, mass-free piston moves within the pressure cylinder 10 on the path s. The piston in the pressure cylinder 10 is in position X. The pressure cylinder 10 is in a heat bath with the temperature Ti. The temperature of the working gas is T 2 <i. The external force F meCh (hydrostatic column, the height of which does not change during the process) acts on the piston, creating a balance of forces Working gas pressure forms (F t h) - The walls of the pressure cylinder 10 are heat-permeable.

Unter diesen Annahmen wird dem Arbeitsgas über die Wände Wärme zugeführt und der Kolben bewegt sich isobar in Richtung zur Stellung Y. Dabei wird die mechanische Arbeit FmeC*Δs geleistet. Während des Prozessablaufes verringert sich das Temperaturgefälle ΔTi und erreicht schließlich beim Punkt Y den Wert null. Die Arbeitsgastemperatur im Druckzylinder 10 ist von T2 auf Ti gestiegen, das thermische Gleichgewicht ist erreicht. Ohne eine Kraft- oder Temperaturänderung verharrt der Kolben unbeweglich in der Stellung Y. Sämtliche auf das System wirkenden Ungleichgewichtszustände haben den angestrebten Gleichgewichtszustand erreicht. Befinden sich alle auf einen Körper wirkenden Kräfte im Gleichgewicht, dann hat das System den statischen Zustand erreicht. Statische Systeme sind energetisch unfruchtbar und können keine Arbeit leisten.Under these assumptions, heat is added to the working gas via the walls and the piston moves isobarically in the direction of position Y. The mechanical work F meC * Δs is carried out. The temperature gradient ΔTi decreases during the process and finally reaches zero at point Y. The working gas temperature in the pressure cylinder 10 has increased from T 2 to Ti, the thermal equilibrium has been reached. Without a change in force or temperature, the piston remains immovably in position Y. All imbalance states acting on the system have reached the desired equilibrium state. If all forces acting on a body are in balance, the system has reached the static state. Static systems are energetically sterile and cannot do any work.

Im zweiten Fall wird der Druckzylinder 10 in einem Wärmebad mit der Temperatur T2 untergebracht. Das Arbeitsgas weist die Temperatur Ti auf. Unter diesen Gegebenheiten verschiebt die angreifende Kraft Fmech (hydrostatische Säule) den Kolben von Y nach X. Die mechanische Kraft FmeCh leistet Arbeit am Ar¬ beitsgas und eine adäguate Wärmemenge wird über das Temperaturgefälle ΔT2 an die Umgebung abgeführt. Erreicht der Kolben den Punkt X, tritt erneut ein Gleichgewichtszustand ein. Die Arbeitsgastemperatur ist identisch mit der Umgebungstemperatur T . Das System wird erneut statisch und die Bewegung des Kolbens endet .In the second case, the pressure cylinder 10 is accommodated in a heat bath with the temperature T 2 . The working gas has the temperature Ti. Under these circumstances, the applied force F mech shifts (hydrostatic column) the piston from Y to X. The mechanical force F mech performs work on Ar ¬ beitsgas adäguate and a quantity of heat is dissipated via the temperature gradient .DELTA.T 2 to the environment. When the piston reaches point X, a state of equilibrium occurs again. The working gas temperature is identical to the ambient temperature T. The system becomes static again and the movement of the piston ends.

Nach Fig. 6 befindet sich das Arbeitsgas anfangs am Prozess- startpunkt 1. Der Arbeitsgasdruck ± mit der Arbeitsgastemperatur Ti bildet ein Kräftegleichgewicht mit der von außen angreifenden mechanischen Kraft -Fmech. Nach Carnot expandiert das Arbeitsgas isotherm von Punkt 1 nach Punkt 2. Ein solcher Vorgang ist technisch nicht möglich, da ein Entropiespalt offen gehalten werden muss.6, the working gas is initially at the process starting point 1. The working gas pressure ± with the working gas temperature Ti forms a balance of forces with the external mechanical force -F mech . According to Carnot, the working gas expands isothermally from point 1 to point 2. Such a process is not technically possible because an entropy gap must be kept open.

Energetisch gunstiger ist eine thermische Aufladung des Arbeitsgases von Punkt 1 nach Punkt 2a. Dem Arbeitsgas wird Warme zugeführt und die Gastemperatur steigt von Ti auf T4. Die angreifende äußere mechanische Kraft -FmeCh wird aufgrund der zugefuhrten Wärmemenge Qzu isobar nach Punkt 2a verschoben und leistet mechanische Arbeit. Beim Punkt 2a wird die Wärmezufuhr an das Arbeitsgas unterbrochen und die angreifende äußere Kraft -FmeCh entsprechend dem Verlauf des isentropen Druckes reduziert. Das Arbeitsgas wird isentrop entspannt und leistet hierbei Arbeit aufgrund seiner inneren Energie, wobei die Arbeitsgastemperatur von T4 auf T2 = Tu sinkt. Die zuge- fuhrte Wärmemenge Qzu wird bei Vernachlässigung aller Warme- leitungs- und Abstrahlungsverluste in mechanische Arbeit u- berfuhrt .Thermal charging of the working gas from point 1 to point 2a is more energy-efficient. Heat is added to the working gas and the gas temperature rises from Ti to T 4 . The attacking external mechanical force -F meC h is shifted to isobaric to point 2a due to the heat quantity Q supplied and performs mechanical work. At point 2a, the heat supply to the working gas is interrupted and the external force -F meC h is reduced in accordance with the course of the isentropic pressure. The working gas is relaxed isentropically and does work due to its internal energy, whereby the working gas temperature drops from T 4 to T 2 = T u . The supplied amount of heat Q zu is converted into mechanical work if all heat conduction and radiation losses are neglected.

Ein solcher Vorgang ist mit einem thermisch-hydromechanischen oder drehmomentgesteuerten System möglich.Such a process is possible with a thermal-hydromechanical or torque-controlled system.

Nach Fig. 7 wird in einer Wärmepumpe 11 ein Kältemittel mechanisch verflüssigt. Dieses Kältemittel muss in einem Kreisprozess erneut verdampfen. Dieser Vorgang wird im Kaltdampfkraftwerk gleichzeitig zur Energie-Reproduktion genutzt. Ein hydrostatischer Druck reguliert den Dampfdruck des Kältemittels. Die für den Verdampfungsvorgang des Kältemittels erfor- derliche Wärme steht in Form von Umgebungswärme in fast unbegrenzter Menge zur Verfügung.7, a refrigerant is mechanically liquefied in a heat pump 11. This refrigerant has to evaporate again in a cycle. This process is also used in the cold steam power plant for energy reproduction. A hydrostatic pressure regulates the vapor pressure of the refrigerant. The necessary for the evaporation process of the refrigerant almost unlimited heat is available in the form of ambient heat.

Ein in einem See, Flusslauf oder Gewässer fest unter der Wasseroberfläche verankerter Druckbehälter 12 ist einschließlich zugeordneter Steigleitungen 13 mit Wasser gefüllt. Zur gezielten Steuerung des Prozesses weist das System Ventile 14 bis 18 auf, die anfangs geschlossen sind. Über zwei Transportleitungen 19 für Zu- und Rücklauf ist der Druckbehälter 12 an die Wärmepumpe 11 angeschlossen. Um Höhenverluste möglichst gering zu halten, sind mit den Steigleitungen 13 gekoppelte, auf unterschiedlichen Höhen angeordnete Hochbehälter 20, 21 sowie der Druckbehälter 12 relativ flach gebaut. Der Dampfdruck des Kältemittels liege bei Umgebungstemperatur (ca. 280 K) oberhalb von 5 bar. Das Kältemittel wird von der Wärmepumpe 11 verdichtet und verflüssigt. Die Dichte des verflüssigten Kältemittels ist geringer als die Dichte von Wasser und das Kältemittel verhält sich gegenüber Wasser chemisch neutral.A pressure vessel 12 firmly anchored in a lake, river course or body of water, including associated risers 13, is filled with water. In order to control the process in a targeted manner, the system has valves 14 to 18, which are initially closed. The pressure vessel 12 is connected to the heat pump 11 via two transport lines 19 for supply and return. In order to keep height losses as low as possible, high tanks 20, 21 coupled to the risers 13 and arranged at different heights and the pressure tank 12 are built relatively flat. The vapor pressure of the refrigerant is above 5 bar at ambient temperature (approx. 280 K). The refrigerant is compressed and liquefied by the heat pump 11. The density of the liquefied refrigerant is lower than the density of water and the refrigerant is chemically neutral to water.

Im System werden die Ventile 16, 18 geöffnet, so dass das Kältemittel von der Wärmepumpe 11 über die eine Zuleitung 19 zu dem Druckbehälter 12 gelangt, der nun über die eine Steigleitung 13 mit dem oberen Hochbehälter 20 in Verbindung steht. Wird dem mit Wasser gefüllten Druckbehälter 12 verflüssigtes Kältemittel mit einem Dampfdruck von > 5 bar bei Umgebungstemperatur über, die Zuleitung 19 zugeführt und das in die Zuleitung 19 eingesetzte Ventil 18 geschlossen, beginnt das Kältemittel zu verdampfen und verdrängt ein entsprechendes Wasservolumen zum Hochbehälter 20. Der Verdampfungsvorgang endet, wenn der Gasdruck des Kältemittels und der hydrostatische Druck der Wassersäule einen stabilen Gleichgewichtszustand erreicht haben. Ein stabiler Gleichgewichtszustand stellt sich ein, wenn das Arbeitsgas bei vorhandenem äußeren Druck keine Wärme mehr aufnehmen kann und der Zustand ΔT = 0 erreicht ist. Dieser Zustand ist entsprechend den Annahmenbedingungen erreicht, wenn das Arbeitsgas bis auf 1/ 5 des Normalvolumens expandiert ist.In the system, the valves 16, 18 are opened so that the refrigerant passes from the heat pump 11 via the one feed line 19 to the pressure vessel 12, which is now connected to the upper elevated tank 20 via the one riser line 13. If the refrigerant filled with water is liquefied with a vapor pressure of> 5 bar at ambient temperature, the feed line 19 is fed in and the valve 18 inserted in the feed line 19 is closed, the refrigerant begins to evaporate and displaces a corresponding volume of water to the elevated tank 20 Evaporation process ends when the gas pressure of the refrigerant and the hydrostatic pressure of the water column has reached a stable equilibrium. A stable equilibrium state is established when the working gas can no longer absorb heat at the external pressure and the state ΔT = 0 is reached. This state is reached according to the assumption conditions if the working gas has expanded to 1/5 of the normal volume.

Die gewonnene potentielle Energie des Wassers im Hochbehälter 20 entspricht der aufgenommenen Wärmemenge und ist höher als die aufgewandte mechanische Arbeit. Einzige Energiequelle ist die Umweltwärme. Soweit von außen keine Wärme zugeführt wurde, sinkt die Wassertemperatur der verdrängten Wassermenge. Abweichend von klassischen Verfahren wird bereits die Verdampfungswärme des Kältemittels in Arbeit überführt. Ein realer Expansionsvorgang verläuft etwa bei einem Temperaturgefälle ΔT = 10-20°C. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik wird erkennbar, nach dem Wärme nur in Arbeit überführt wird, solange ein thermischer Ungleichgewichtzustand besteht. Bei einem Temperaturgefälle von ΔT = 0 erreicht das Arbeitsgas, das Kältemittel, den Gleichgewichtszustand. Ein dynamischer, energieerzeugender Prozess wandelt sich in ein statisches System um. Die Entropie muss zunehmen, um den Prozess dynamisch zu erhalten.The potential energy of the water obtained in the elevated tank 20 corresponds to the amount of heat absorbed and is higher than the mechanical work involved. The only source of energy is environmental heat. If no heat is supplied from the outside, the water temperature of the displaced water quantity drops. Deviating from classic processes, the heat of vaporization of the refrigerant is already being worked on. A real expansion process takes place at a temperature gradient ΔT = 10-20 ° C. The second law of thermodynamics becomes apparent, according to which heat is only transferred into work as long as there is a thermal imbalance condition. With a temperature gradient of ΔT = 0, the working gas, the refrigerant, reaches the equilibrium state. A dynamic, energy-generating process is transformed into a static system. Entropy must increase to keep the process dynamic.

Die Energieausbeute auf Kosten der Umweltwärme ist noch nicht beendet. Wird das Ventil 16 zum oberen Hochbehälter 20 geschlossen und das Ventil 15 zum unteren Hochbehälter 21 geöffnet, entsteht ein neuer Ungleichgewichtszustand. Das Arbeitsgas strebt erneut den Gleichgewichtszustand an. Nach den getroffenen Annahmen hat sich der äußere Druck, der der Was- sersaule, verringert und das Arbeitgasvolumen wird sich aufgrund des geringeren Gegendruckes vergrößern und Wasser zum unteren Hochbehälter 21 verdrangen. Weitere potentielle Arbeit wird auf Kosten der Umweltwarme gewonnen.The energy yield at the expense of environmental heat has not yet ended. If the valve 16 to the upper elevated tank 20 is closed and the valve 15 to the lower elevated tank 21 is opened, a new state of imbalance arises. The working gas again strives for equilibrium. According to the assumptions made, the external pressure that the water Sersaule, reduced and the working gas volume will increase due to the lower back pressure and water displaced to the lower elevated tank 21. Further potential work is gained at the expense of environmental warmth.

Das vorgestellte System dient überwiegend der einfachen Beweisführung. Eine absolute Energieausbeute ist hier nicht angedacht. Die Prozessfuhrung zur Nutzung der Umweltwarme endet hier vorzeitig. Nach Temperatur- und Druckausgleich im zweiten Arbeitstakt wird das Ventil 15 zum unteren Hochbehälter 21 geschlossen und das in die als Rucklauf ausgebildete Zuleitung 19 eingesetzte Ventil 17 geöffnet. Das Arbeitsgas, also das Kältemittel, wird zur Verdichtung aufgrund des herrschenden Überdruckes über die Zuleitung 19 der Wärmepumpe 11 zugeführt. Sobald der Wasserdruck der Umgebung und der Gasdruck im Druckbehalter 12 im Gleichgewicht stehen, öffnet Ventil 1 . Das dichtere Wasser schiebt das restliche Kältemittel über die Zuleitung 19 zur Wärmepumpe 11 und füllt gleichzeitig den Druckbehalter 12. Nach Beendigung des Full- vorganges schließen die Ventile 14, 17. Der Kaltemittelkreis- lauf ist geschlossen. Die aus dem Prozess gewonnene potentielle Energie des Wassers wird bei Bedarf mittels einer Wasserturbine 22 in elektrische Energie überfuhrt.The system presented is mainly used for simple reasoning. An absolute energy yield is not considered here. The process control for using the environmental heat ends prematurely here. After temperature and pressure equalization in the second work cycle, the valve 15 to the lower elevated tank 21 is closed and the valve 17 inserted into the feed line 19 designed as a return is opened. The working gas, ie the refrigerant, is supplied to the heat pump 11 for compression due to the prevailing excess pressure via the feed line 19. As soon as the ambient water pressure and the gas pressure in the pressure vessel 12 are in equilibrium, valve 1 opens. The denser water pushes the remaining refrigerant via the feed line 19 to the heat pump 11 and at the same time fills the pressure vessel 12. After the filling process has ended, the valves 14, 17. The refrigerant circuit is closed. The potential energy of the water obtained from the process is converted into electrical energy by means of a water turbine 22 if required.

Gemäß Fig. 8 ist ein Kraftwerk 23 zur Erzeugung elektrischer Energie vorgesehen, wobei das Kraftwerk 23 beispielsweise als Warme-, Wind- oder Photovoltaikkraftwerk ausgebildet sein kann, das über elektrische Leitungen 24 sowohl mit Kompressoren 25 zur Verdichtung von Gas (Luft) als auch mit einer Wasserturbine 22 zur Stromerzeugung verbunden ist. In Zeiten relativ geringen Stromverbrauchs wird von dem Kraftwerk 23 Strom zum Antrieb der Kompressoren 25 geliefert. Durch die Verdichtung des Gases mittels der Kompressoren 25 erhalt man für die am Gas (Luft) verrichtet Verdichtungsarbeit eine entsprechende Wärmemenge, wobei diese Aussage immer dann gilt, wenn das verdichtete Gas Warme über nicht-adiabatische Wände abgeben kann. Die Verdichtungsarbeit wird in Warme umgewandelt und zu Heizzwecken abgegeben.According to FIG. 8, a power plant 23 is provided for generating electrical energy, the power plant 23 being able to be designed, for example, as a thermal, wind or photovoltaic power plant, which is connected via electric lines 24 to compressors 25 for compressing gas (air) as well as a water turbine 22 is connected to generate electricity. In times of relatively low power consumption, the power plant 23 Electricity for driving the compressors 25 is supplied. By compressing the gas by means of the compressors 25, a corresponding amount of heat is obtained for the compression work performed on the gas (air), this statement always being valid if the compressed gas can emit heat via non-adiabatic walls. The compression work is converted into heat and given off for heating purposes.

Da dem Gas Warme ausgetrieben wurde, ist die innere Energie des Gases gesunken. Um in einem reversiblen Prozess die Expansionsarbeit des Gases zu nutzen, muss dem Gas die ausgetriebene Warme erneut zugeführt werden. Bei einer geringeren Wärmezufuhr reduziert sich die Ausbeute der Expansionsarbeit. Warme steht zwar als Umgebungswarme für technische Zwecke in praktisch unbegrenzter Menge zur Verfugung, allerdings lediglich in einem Temperaturbereich zwischen -10°C und + 30°C. Bei der Annahme, dass die dem Gas ausgetriebene Warme bei einer Verdichtungstemperatur von etwa 70°C (343 K) erfolgt, kann aus der naturlichen Energiequelle „Umgebungswarme" etwa 80 % der für die Expansionsarbeit des Gases erforderlichen Warme geliefert werden, die in mechanische Arbeit umzuwandeln ist .Since the gas has been driven out of heat, the internal energy of the gas has decreased. In order to use the expansion work of the gas in a reversible process, the expelled heat must be added to the gas again. With a lower heat input, the yield of the expansion work is reduced. Warm is available as ambient heat for technical purposes in practically unlimited quantities, but only in a temperature range between -10 ° C and + 30 ° C. Assuming that the heat expelled from the gas occurs at a compression temperature of about 70 ° C (343 K), about 80% of the heat required for the expansion work of the gas can be supplied from the natural energy source “ambient heat”, which is done in mechanical work is to be converted.

Zur Ausnutzung der Expansionsarbeit des Gases, wird dasselbe durch eine Druckluftleitung 26 von den Kompressoren 25 in einen Druckluftspeicher 27 geleitet, in dem das Gas bei Umgebungstemperatur als Medium zur Speicherung potentieller Energie gelagert wird. Bei einen Energiebedarf wird der Druckluftspeicher angezapft, das Gas expandiert, nimmt gleichzeitig Umgebungswarme auf, wodurch die Expansionsarbeit vergrößert wird und liefert mechanische Arbeit. Um die mechanische Arbeit des expandierenden Gases zur Stromerzeugung zu nutzen, ist der Druckluftspeicher 27 über ein Regelventil 28 mit dem mit Wasser befüllten Druckbehälter 12 verbunden. Der Druckbehälter 12 ist über eine Vorlaufleitung 29 und eine Rücklaufleitung 30 mit einem Wasserspeicher 31 gekoppelt. Zwischen der Wasseroberfläche in dem Wasserspeicher 31 und der Unterkante des Druckbehälters 12 liegt eine Höhendifferenz Δh vor. Zu Beginn des Prozesses der Stromerzeugung sind in die Vorlaufleitung 29 und die Rücklaufleitung 30 eingesetzte Absperrventile 32, 33 geschlossen. Durch das Öffnen des Regelventils 28 beaufschlagt das Gas das Wasser innerhalb des Druckbehälters 12 aufgrund seiner Expansion, so dass der hydrostatische Druck (Δh) innerhalb des Druckbehälters 12 auf den Gasdruck p ansteigt. Beim Öffnen des in die Vorlaufleitung 29 eingesetzten Absperrventils 32 strömt das Wasser aus dem Druckbehälter 12 mit dem Druck in die Wasserturbine 22, die die mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Das Regelventil 28 wird bei Erreichen eines Druckes von Δp = p - Δh bei einer Temperatur To geschlossen. Das Gas dehnt sich von Δp auf Δh aus und nimmt dabei Umgebungswärme auf. Eine Beeinflussung des Wärmeaustauschs zwischen dem Wasser und dem Gas erfolgt durch eine entsprechende Dimensionierung der Vorlaufleitung 29 oder eine Einstellung der Durchflussmenge durch entsprechende Verstellung des Regelventils 28 bzw. Absperrventils 32 oder auch durch Einsetzen eines Steuerventils in die Vorlaufleitung. Die Wasserturbine 22 liefert die aus der mechanischen Arbeit gewonnene elektrische Energie über die elektrischen Leitungen 24 an das Kraftwerk 23 bzw. Endverbraucher.In order to take advantage of the expansion work of the gas, it is passed through a compressed air line 26 from the compressors 25 into a compressed air store 27, in which the gas is stored at ambient temperature as a medium for storing potential energy. When there is an energy requirement, the compressed air reservoir is tapped, the gas expands and at the same time absorbs ambient heat, which increases the work of expansion and provides mechanical work. To the mechanical To use the work of the expanding gas to generate electricity, the compressed air reservoir 27 is connected via a control valve 28 to the pressure tank 12 filled with water. The pressure vessel 12 is coupled to a water reservoir 31 via a feed line 29 and a return line 30. There is a height difference Δh between the water surface in the water reservoir 31 and the lower edge of the pressure vessel 12. At the beginning of the process of power generation, shut-off valves 32, 33 inserted into the feed line 29 and the return line 30 are closed. By opening the control valve 28, the gas acts on the water inside the pressure vessel 12 due to its expansion, so that the hydrostatic pressure (Δh) inside the pressure vessel 12 rises to the gas pressure p. When the shut-off valve 32 inserted into the feed line 29 opens, the water flows from the pressure vessel 12 with the pressure into the water turbine 22, which converts the mechanical energy into electrical energy. The control valve 28 is closed when a pressure of Δp = p - Δh is reached at a temperature T o . The gas expands from Δp to Δh, absorbing ambient heat. The heat exchange between the water and the gas is influenced by appropriately dimensioning the flow line 29 or adjusting the flow rate by appropriately adjusting the control valve 28 or shut-off valve 32 or by inserting a control valve into the flow line. The water turbine 22 supplies the electrical energy obtained from the mechanical work via the electrical lines 24 to the power plant 23 or end user.

Sobald der Druckbehälter 12 wasserleer ist, wird das in die Vorlaufleitung 29 eingesetzte Absperrventil 32 geschlossen und das im System vorhandene Wasser befindet sich innerhalb des Wasserspeichers 31. Anschließend wird ein in die Rücklaufleitung 30 eingesetztes Ventil 34 geöffnet und das Wasser fließt im freien Gefälle in den Druckbehälters 12. Bei ausreichendem Wasserdruck kann in der Rücklaufleitung 30 eine zusätzliche Wasserturbine vorgesehen werden. As soon as the pressure vessel 12 is empty of water, this is in the The supply line 29 shut-off valve 32 is closed and the water present in the system is located in the water reservoir 31. A valve 34 inserted in the return line 30 is then opened and the water flows freely in the pressure vessel 12. With sufficient water pressure, the return line 30 can an additional water turbine will be provided.

Claims

Patentansprüche claims 1. Verfahren zur Energieumwandlung nach einem geschlossenen thermodynamischen Kreisprozess, insbesondere nach dem Carnot-Prozess, unter der Nutzung eines Arbeitsgases, dem zur Verrichtung von Arbeit Wärme zugeführt wird , dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Arbeitsgases durch einen auf das Arbeitsgas einwirkenden mechanischen Gegendruck gesteuert wird, der zum Druck des Arbeitsgases proportional und entgegengerichtet ist.1. A method for energy conversion according to a closed thermodynamic cycle, in particular according to the Carnot process, using a working gas to which heat is added to perform work, characterized in that the temperature of the working gas is controlled by a mechanical back pressure acting on the working gas which is proportional to and opposed to the pressure of the working gas. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegendruck unter Ausnutzung der Umgebungswärme erzeugt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the back pressure is generated using the ambient heat. 3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Wärmepumpe (11) oder mindestens einem Kompressor (25) zur Verflüssigung eines Kältemittels o- der zur Verdichtung eines Gases, dadurch gekennzeichnet, dass3. Device for performing the method according to claim 1 with a heat pump (11) or at least one compressor (25) for liquefying a refrigerant or for compressing a gas, characterized in that - die Wärmepumpe (11) mit einem Druckbehälter (12) gekoppelt ist, in dem das Kältemittel unter Einwirkung eines Gegendruckes verdampft oder- The heat pump (11) is coupled to a pressure vessel (12) in which the refrigerant evaporates under the action of a counter pressure or - der Kompressor (25) mit einem Druckbehälter (12) gekoppelt ist, in dem das Gas unter Einwirkung eines Gegendruckes expandiert.- The compressor (25) is coupled to a pressure vessel (12) in which the gas expands under the action of a counter pressure. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter (12) mit einer den Gegendruck erzeugenden Einrichtung zur Speicherung potentieller Energie verbunden ist. 4. The device according to claim 3, characterized in that the pressure vessel (12) is connected to a device generating the back pressure for storing potential energy. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter (12) zur Steuerung von Arbeitstakten über Ventile (14-18) mit der Wärmepumpe (11) und der Einrichtung verbunden ist.5. The device according to claim 3 or 4, characterized in that the pressure vessel (12) for controlling work cycles via valves (14-18) with the heat pump (11) and the device is connected. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter (12) in einem offenen Reservoir der Umgebungstemperatur ausgesetzt ist.6. Device according to one of claims 3 to 5, characterized in that the pressure vessel (12) is exposed to the ambient temperature in an open reservoir. 7. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung mindestens einen Hochbehälter7. The device according to claim 4 or 5, characterized in that the device at least one elevated tank (20, 21) zur Aufnahme von Wasser umfasst, der über eine Steigleitung (13) mit dem Druckbehälter (12) gekoppelt ist .(20, 21) for receiving water, which is coupled to the pressure vessel (12) via a riser (13). 8. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter (12) über ein Regelventil8. The device according to claim 3 or 4, characterized in that the pressure vessel (12) via a control valve (28) mit dem Kompressor (25) gekoppelt ist.(28) is coupled to the compressor (25). 9. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung mindestens einen Wasserspeicher (31) umfasst, der über eine Vorlaufleitung (29) und eine Rücklaufleitung (30) ventilgesteuert mit dem Druckbehälter (12) gekoppelt ist.9. The device according to claim 4, characterized in that the device comprises at least one water reservoir (31) which is coupled to the pressure vessel (12) in a valve-controlled manner via a flow line (29) and a return line (30). 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Einrichtung mindestens eine mit dem Hochbehälter (20, 21) oder dem Wasserspeicher (31) verbundene Wasserturbine (22) zugeordnet ist. 10. Device according to one of claims 3 to 9, characterized in that the device is assigned at least one water turbine (22) connected to the elevated tank (20, 21) or the water reservoir (31).
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