Labentz, Peter Richard (Rahel-Varnhagen-Weg 25, Hamburg, 21035, DE)
| 1. | Verfahren zur Wärmeenergiegeuinnung aus einem gasför migen Medium mittels eines Wärmeaustauschers, wobei das gasförmige Medium in einem volumenkonstanten Raum eingeschlossen ist und mittels Verschiebungsarbeit, die durch den Impulsübertrag auf die einzelnen Teil chen des gasförmigen Mediums zustande kommt, einen Gasdruckreaktor durchströmt und hierbei verdichtet wird und sich durch Reibung der Gasmoleküle aneinan der erwärmt, wobei durch Reibung eine Strömungsver zögerung bewirkt wird, so dass die wandnahe Gasschicht beinahe haftet, an der sich die benachbarten strömen den einzelnden Gasteilchen dem Widerstand ihrer rela tiven Bewegung untereinander entgegensetzen und dann das gasförmige Medium gegen die Kraft einer Drucke der oder eines Gaspuffers beim Ausströmen aus dem Gas druckreaktor weiter erwärmt und dann einem Uärmeaus tauscher zugeführt wird, über den die kinetische und potentielle Energie des gasförmigen Mediums in Form von Wärme auf ein weiteres Medium übertragen wird, da durch gekennzeichnet, dass die Verdichterarbeit in ei nem stationären Fließprozess reversibel als Exergie unbeschränkt umwandelbar, mittels eines Kompressors über die Systemgrenze des Druckbehälters (1) als tech nische Arbeit eingebracht, in dem System als Prozess größe erhalten wird und dass die mit dem Stoffstrom über die offene Systemgrenze des Gasdruckreaktors (15) als technische Arbeit abgegebene Exergie genau mit der vom Kompressor eingebrachten Exergie übereinstimmt, die als Exergie der Wärme sich unter Mitwirkung des Wärmeaustauschers (8) in jede andere Energieform, also auch in Nutzarbeit (ellenarbeit) umwandeln lässt, wo bei die Anergie der Wärme der Teil der Wärme ist, die dem offenen System des Gasdruckreaktors (15) mit dem Stoffstrom als Hubund Beschleunigungsarbeit zuge führt wird. |
| 2. | Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Inbetriebnahme der Vorrichtung (43) ein Teil der Exergie der Wärme an eine Maschine für den Antrieb der HydraulikVerstellpumpe (20) abgegeben wird. |
| 3. | Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Kompressors der gasförmige Stoff (44) in dem Druckbehälter (1) auf KompressionsArbeitsdruck ver dichtet wird. |
| 4. | Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsgrößen des Systems der Gasmenge (44) das Volumen V, der Druck p und die Masse m feste Werte an nehmen,. |
| 5. | Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die physikalischen Eigenschaften des Gases (44) darin bestehen, das es thermisch und chemisch stabil, nicht brennbar, ozonunschädlich und toxikologisch unbedenk lich ist. |
| 6. | Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit einem Kompressor über die Systemgrenze des Druck behälters (1) eingebrachte Verdichterarbeit genau mit der im Gasdruckreaktor (15) durch dissipative Vorgänge im Stoffstrom der Gasmenge (44) erzeugten Entropie über einstimmt, die unter Mitwirkung eines Wärmeaustauschers (8) einer Nutzung zugeführt wird. |
| 7. | Verfahren nach Anspruch 6, dadurcn gekennzeichnet, dass zwischen den Gegendruckflächen (40) und in der Kugeluir belkammer (39) und in dem Ringkanal (38), mittels der Druckfeder (32) oder des Gaspuffers und der Rückschlag ventile (30) über den KompressionsArbeitsdruck ein homogenes Kraftlinienfeld besteht, in das die darin strömenden Teilchen des gasförmigen Stoffs (44) anein ander reiben, wobei durch Reibung (Dissipation) im Gas (44) Entropie erzeugt wird. |
| 8. | Verfahren nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Überschallgeachuindigkeitabereich des Stoff stroms in dem Dusenrohr (31), in der Kugelwirbelkammer (39) und zwischen den Gegendruckflächen (40) die Entro pie des gasförmigen Stoffs (44) mittels eines Verdich tungsstoßes zunimmt. |
| 9. | Verfahren nach Anspruch 1,3, 4, 6, 7 und 8, dadurch gekenn zeichnet, dass dar Oruck, der auf die Wärmetauscherfläche (7a) wirkt, mittels des Arbeitsstoffs im Wärmeaustauscher (8) kompensiert wird. |
| 10. | Uorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den An sprüchen 1,2, 6 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Einund Austrittsöffnung des Wärmeaustauschers (8) Druckausgleichsventile (13a und 18a) angeordnet sind. |
| 11. | Vorrichtung nach Anspruch 6, 7 und 8, dadurch gekennzeich net, dass an jedem Druckkolben (41) jeweils ein Dichtungs ring (37) angeordnet ist. |
| 12. | Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dampfmaschine oder eine Verbrennungskraftmaschine die HydraulikVerstellpumpe (20) antreibt. |
Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung ist bereits durch die DE 197 39 856 C2 bekannt.
In der ein Verfahren und eine Vorrichtung zu dessen Durch- führung beschrieben ist, mittels derer eine Wärmeenergie- gewinnung aus einem gasförmigen Medium mittels eines Wär- meaustauschers möglich ist, ohne dass am Ort der Wärme- energieerzeugung Emissionen frei werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, das Verfahren und die Vorrichtung der eingangs genannten Art so zu ver- bessern, dass hiermit eine hohe Leistung und ein hoher Wir- kungsgrad erzielt wird.
Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe bezüglich des verfahrens durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und bezüglich der Vorrichtung durch die kenn- zeichnenden Merkmale des Anspruchs 10. Vorteilhafte Aus- gestaltung der Erfindung werden in den abhängigen Ansprü- chen beschrieben.
Nach der Erfindung ist die Verdichterarbeit in einem sta- tionären Flie0Prozess reversibel als Exergie unbeschränkt umuandelbar.
Die Erfindung wird nacnstehend am Beispiel des in den Zeichnungen schernatisch dargestellten Ausführungsbei- spiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung näher erläu- tert. Es zeigt : Fig. 1 die Vorricntung in einer schematischen Seitenan- sicht, Fig. 2 den Gasdruckreaktor der Vorrichtung nacn Fig. 1 in einer vergrößerten Seitenansicht,
Fig. 3 den Gasdruckreaktor nach Fig. 2 in einer Draufsicht im Schnitt A-B.
Die Vorrichtung 43 besteht aus einem Druckbehälter 1 mit einer Wärmeschutzum : nantelung 2, in dem ein Gasdruckreak- tor 15 mit Einrichtungen zur Entropieerzeugung und zuei Druckübersetzer 5 und ein Wärmeaustauscher 8 angeordnet sind (Fig. 1). Der Druckbehälter 1 ist in eine obere, eine mittlere und eine untere Sektion unterteilt, die mittels Flanschen 11 miteinander verbunden sind, Der in Fig. 1 le- diglich angedeutete Gasdruckreaktor 15 ist in Fig. 2 und 3. vergrößert dargestellt. Der Gasdruckreaktor 15 ist zui- schen den Druckstempeln 10 der Druckübersetzer 5 angeord- net und in der Laufbuchse 7 zwischen einer oberen und un- teren Stellung vertikal verschieblich gelagert. Die Druck- stempel 10 der Druckübersetzer 5 sind in jeweils einer Stempelführung 26 an dem Düsenkörper 9 des Gasdruckreak- tors 15 gelagert. Die Verschiebungsarbeit übernimmt die von einem Elektromotor 21 oder die von einer Maschine ge- triebene Hydraulik-Verstellpumpe 20, so dass über das Flu- id in der Arbeitsleitung 17 und das Fluid in den Fluid- speichern 4, die durch die Anschlüsse 3 und 25 miteinan- der verbunden sind, die Druckstempel 10 der Drucküberset- zer 5 synchron in zueinander entgegengesetzter Richtung bewegt werden.
Die sternförmig angeordneten und gelagerten Träger 34 (Fig. 3) der Gegendruckbuchse 33 tragen das Reaktorgestell 45, das endabschnittseitig jeweils einen Flansch 29 auf- weist, der mit dem Druckkolben 41 in einer Passung mittels Verschraubungen 42 verbunden ist. In jedem Druckkolben 41 ist jeweils mindestens ein Rückschlagventil 30 angeordnet und ein Düsenkörper 9 in einer Passung gelagert und mit- tels Verschraubungen 28 befestigt. In jedem Düsenkörper 9 befinden sich Düsenbohrungen 27, die in ein Düsenrohr 31 münden, das ausgangsseitig durch eine Bohrung in dem Druck- kolben 41 geführt ist und in eine Kugeluirbelkammer 39 des jeueiligen Gegendruckkolbens 35 hineinragt. An jedem Druck- kolban 41 liegt ein Gegendruckkolben 35 unter dem Druck ei- ner Druckfeder 32 an. Statt der Druckfeder 32 kann auch
z. B. ein Gasspuffer eingesetzt uerden. Die Druckt oder 32 oder der Gaspuffer ist in der Gegendruckbuchse 33 gegen die Kolbendruckfläche 36 zuischen den zwei Gegendruckkol- ben 35 angeordnet. Die Gegendruckkolben 33, in der die Gegendruckkolben 35 verschieblich gelagert sind, kann ei- ne Kugelkäfig-oder Gleitbuchse sein.
Am oberen und unteren Abschnitt des Gasdruckreaktors 15 ist an jedem Druckkolben 41 jeueils ein Dichtungsring 37 angeordnet, der mittels Andruck den Gasraum 16 zuischen Druckkolben 41 und Laufbuchse 7 abdichtet.
In dem Druckbehälter 1 ist zuischen der Wandung des Druck- behälters 1 und der Laufbuchse 7 ein Wärmeaustauscher 8 vorgesehen, der mit der Wärmeübertragungsfläche der Lauf- buchse 7 abschließt, die mit der Wärme des strömenden gas- förmigen Stoffs 44 im Ringkanal 38 beaufschlagbar ist, so dass der Wärmestrom das in dem Wärmeaustauschers 8 z. B. hindurchströmende Wasser in hochgespannten Dampf umwandelt.
Der Wärmeaustauscher 8 kann statt von Wasser auch von ei- nem Gas durchströmt uerden, das erwärmt werden soll.
Die Befüllung des Gasraum 16 souie des Gasdruckreaktors 15 mit dem gassförmigen Stoff 44 erfolgt über ein Gasfüllven- til 6 mittels eines Kompressors. Durch dieses Gasfüllven- til 6 tritt der gasförmige Stoff 44 in den Gasraum 16 ein und strömt durch den Gasdruckreaktor 15. Der Druckbehälter 1 weist außerdem ein Sicherheitsventil 6a auf, durch das bei einem eventuellen Überdruck Gas 44 entweichen kann, Dem Gegendruck der Druckfeder 32 oder des Gaspuffers ent- sprechend wird das Gas 44 in dem Gasraum 16 und in dem Gas- druckreaktor 15 mittels eines Kompressors auf Kompression Arbeitsdruck verdichtet, so dass mittels Impulsübertrag auf die einzelnen Gasteilchen ein Stoffstrom über die of- fene Systemgrenze des Gasdruckreaktors 15 durch die Ver- schiebungsarbeit zustande kommt. Als gasförmiger Stoff 44 wird vorzugsweise ein Kältemittel verwendet. Zum Füllen und Entlüften der Arbeitsleitung 17 und der Fluidspeicher 4 dient ein Füll-und Entlüftungsventil 3a, außerdem ist an dem Anschluß 25 der Arbeitsleitung 17 ein Ablaßventil 25a und in der Wandung des Druckbehälters 1 ein Ablaßven til 24 vorgesehen.
Die mit dem Stofftransport über die Systemgrenze des Druckbehälters 1 mittels eines Kompressors eingebrachte Verdichterarbeit steckt in dem Inneren des Systems der Gasmenge 44. Die eingebrachte Verdichterarbeit wirkt mit- tels Impulsübertrag auf die einzelnen Gasteilchen in ei- nem reversiblen stationären Fließprozess, sie wird in dem offenen System des Gasdruckreaktors 15 über den Kompres- sions-Arbeitsdruck vollständig dissipiert und erhöht im Inneren des Systems der Gasmenge 44 die innere Energie und die Entropie, die mittels des Wärmeaustauschers 8 ei- ner Nutzung zugeführt wird. Der reversible stationäre Fließprozess der Gasmenge 44 durchströmt, mittels Hubkraft der Druckübersetzer 5, in Wirkverbindung mit der Hydrau- lik-Verstellpumpe 20, die von dem Elektromotor 21 oder von einer Maschine angetrieben wird, den Gasdruckreaktor 15.
Die im reversiblen stationären Fließprozess erzeugte En- tropie gelangt mit dem Wärmestrom über den Wärmeaustau- scher 8 als hochgespannter Dampf über das Druckausgleichs- ventil 13a durch den Austritt 13 zum Sekundärkreis. Dort wird der Wärmestrom in geeigneter Form genutzt. Nach der Energienutzung kondensiert der Dampf wieder zu Wasser, das dann zur erneuten Aufheizung über den Eintritt 22 durch den Fluidkühler 19 und durch die Strömungsleitung 18 über das Druckausgleichsventil 18a in den Wärmeaustauscher 8 gepumpt wird.
Die Vorrichtung 43 kann auf einer Bauplattform 23 erstellt uerden, Dar Druckbehälter 1 des Druckkraftwerks 43 uird auf der Bauplattform 23 von mindestens einem Stützblech 14 gestützt, das mittels Halterungen 12 mit dem Druckbehälter 1 verbunden ist (Fig. 1).
Vorrichtungen 43, mit denen Wärmeenergie ohne Emissionen gewonnen wird, können dezentralisiert betrieben werden und somit auf ein großes Energieverteilernetz verzichten, so dass Energieverluste und Energietransportkosten weitestge- hend entfallen. Von Vorteil ist auch, dass die Vorrichtung 43 kein Gebäude benötigt und für den Uärmebedarf die güns- tigste Kapazität geuählt uerden kann. Die Vorrichtung 43 wird in Sektionen zum Bestimmungsort transportiert und kann dort einfach montiert schnell in Betrieb gehen.
Next Patent: NANO CARBON MATERIALS FOR ENHANCING THERMAL TRANSFER IN FLUIDS