WO1992006281A2 - Verfahren und vorrichtungen zur freien umwandlung von wärme und arbeit ineinander und zum näherungsweisen austauschen der temperaturen zweier wärmeträger durch wärmeübertragung - Google Patents

Verfahren und vorrichtungen zur freien umwandlung von wärme und arbeit ineinander und zum näherungsweisen austauschen der temperaturen zweier wärmeträger durch wärmeübertragung Download PDF

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    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
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    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2254/00—Heat inputs
    • F02G2254/30—Heat inputs using solar radiation

Definitions

  • the present invention relates to a method and devices for the free conversion of heat and work into one another. Furthermore, the invention includes a method and devices for the approximate exchange of the temperatures of two heat transfer media, which method and which devices prove to be means for carrying out the methods for the free conversion of heat and work into one another.
  • thermodynamics The second main theorem of thermodynamics is a pure empirical theorem, of which there are different formulations. Today it is considered a natural law. If even one of his formulations proves to be incorrect, this sentence is dropped. The present invention is based on several processes observed in nature, which contradict the statements of the second law and therefore prove that the second law of thermodynamics is not valid.
  • T. is the temperature of the heat transfer medium before converting the heat quantity ⁇ Q into the work W and T_ the temperature of the heat transfer medium afterwards.
  • Gay-Lussac's overflow attempt shows an irreversible process and can only be carried out by using energy or work on the system and corresponding heat dissipation from System can be undone again, the undo result in an indelible change in the environment of the system.
  • Heat can only be converted into work if at the same time part of the heat passes from a warmer to a colder body.
  • entropy There is a state variable, called entropy, whose change is given by the heat supplied to the system in a reversible manner, divided by the absolute temperature. Entropy cannot decrease in a closed system. A machine which would not be subject to the above restriction would be a perpetuum mobile of the second type. Such a machine does not exist (Thomson).
  • thermometer moves a liquid thread or a pointer with every change in temperature. It overcomes friction and thus does work.
  • a permanent change in the thermometer itself cannot be determined over time, so, as the first law of thermodynamics also requires, it must be in constant contact with its surroundings. have a balanced energy balance.
  • a temperature change causes a separate energy circuit for the change in the display.
  • a thermometer is a perpetuum mobile of the second kind! To change the display, it continuously converts the heat into work, which then accumulates as frictional heat.
  • the efficiency of the Carnot cycle only applies to the gas phase to a limited extent and is not generally applicable. For example, if the Stirling process, which is equivalent to the Carnot process in terms of efficiency, is deliberately driven into the liquid with the lower temperature of the working medium. phase, the efficiency ideally assumes the value one.
  • the object of the present invention is to solve this problem.
  • Figure 1 A schematic of the basic principle of the temperature exchange process
  • FIG. 2 A diagram of a method for the approximate exchange of the temperatures of two heat carriers
  • FIG. 3 shows a heat stack store from a grid stack
  • FIG. 4 A wound heat stack store in a perspective view in a partial section during winding
  • FIG. 5 shows a wound heat stack in a front view
  • FIG. 6 shows a temperature diagram of the temperatures T.sub.1 of a fluid and T.sub.g of a heat stack store at a specific point in time when a hot fluid flows through the cold heat stack store;
  • FIG. 7 A temperature diagram of the temperatures Tr of a fluid and T g of a heat stack store at a specific point in time, if the hot one
  • a cold fluid flows through the heat stack
  • FIG. 8 shows a temperature exchanger from a series of spirally rolled tubes in a cross section
  • Figure 9 shows a temperature exchanger from a series of spirally rolled tubes in a side view in a partial section
  • FIG. 10 shows a device for generating a potential for converting heat into work from a vessel with a movable heat stack which communicates with an environment at the upper temperature;
  • Figure 11 A pV diagram with the cycle in the
  • FIG. 12 A device for generating a potential for converting heat into work, the vessel system of which contains a stationary heat stack store and a movable displacer and communicates with the surroundings at the upper temperature;
  • Figure 13 A device for converting heat into a pressure potential of a fluid, the vascular system contains a stationary heat stack and a movable displacer and communicates with the environment at the lower temperature;
  • FIG. 14 A periodically operating device for converting heat into work, which acts as a perpetual mobile of the 2nd type;
  • FIG. 16 A continuously operating system with two devices connected together in a circuit with movable heat stack feeders. rather to convert heat into work, which acts as a perpetuum mobile 2nd type;
  • FIG. 17 two TS diagrams for the opposite representation of the left-hand cycle in the circuit of the plant according to FIG. 16 and the two right-handed cycles in the devices of this plant;
  • FIG. 18 shows a continuously operating system with a device with a stationary and a device with a movable heat stack store, which are connected in a circuit with two loops, for converting heat into work, the system being used as a perpetual mobile 2 .
  • FIG. 19 two TS diagrams for the opposite representation of the state changes in the two loops and the left-handed cycle of the circuit of the system according to FIG. 18;
  • FIG. 20 a continuously operating system with devices for a continuous temperature exchange, which are connected in a circuit for converting heat into work, which system acts as a perpetuum mobile of the 2nd type;
  • FIG. 21 A TS diagram for representing the cycle process in the cycle of the system 20, which describes a figure of eight loop.
  • the temperature of a body If the temperature of a body is changed periodically, it reacts to it with a change in volume corresponding to the course of the temperature. If one opposes this change in volume, the body works on the resistance, which corresponds to the difference between the heat supplied and the heat removed. The body experiences a clockwise circular process. If you add work to the body, the cycle becomes counter-clockwise and more heat must be dissipated than is added to the work.
  • the temperature of a body must therefore be changed periodically between an upper temperature T and a lower temperature T by supplying and removing heat, the body being forced to change the volume by a phase shift compared to its isobaric volume change. As simple as the process is to be understood, as difficult or even impossible it may seem impossible to do it.
  • the method according to the invention for the approximate exchange of the temperatures of two bodies by heat transfer has proven to be the means by which the core problem can be solved.
  • FIGS. 1A) - 1E The basic principle of the method according to the invention for the approximate exchange of the temperatures of two heat carriers by heat transfer is explained below.
  • This basic principle is shown in a very simplified arrangement in FIGS. 1A) - 1E).
  • the initial position of the system under consideration is shown in FIG. 1A), namely the body A at the higher temperature T. and the body B at the lower temperature T 2 .
  • Each of these bodies A, B is now divided into two identical sub-bodies A., A 2 and B., B 2, respectively, which is shown in FIG. 1B). If the body A contains eight heat units arbitrarily adopted than the body B, then its two identical partial bodies A 1 , A 2 each have four heat units more than the partial bodies B 1 , B 2 .
  • heat units which each contain the body or partial body, are indicated as hatched parts of the body for easier understanding. On the left side of the body, the number of the heat units they contain is also given.
  • the heat transfer now takes place in a first step according to FIG. IC), in that the sub-bodies A ⁇ and B. are brought into thermal contact with one another. Temperature compensation takes place here as is conventionally known.
  • the part body A 2 gives two heat units on the part body by B-.
  • thermal contact is made on the one hand between the partial bodies A 1 and B-. and on the other hand made between A ⁇ and B_.
  • the partial body A 1 emits one of its original four heat units to the partial body B and the partial body A ?
  • FIG. 3 shows an advantageous example of such a device, which is called heat stack storage in the following, in a partial exploded view.
  • the heat stack memory consists of a stack of thin-wire copper nets 301, all of which are arranged at a short distance from one another in a heat-insulating manner and are enclosed by a heat-insulating tube 302. This pipe
  • 302 can be made of rings that are put together in a sealing manner
  • 303 consist of a heat-insulating material, for example cork rings 303, between each of which a copper mesh 301 is inserted, as can be seen from the upper part of the figure, which is shown in an exploded view.
  • the fluid flows back and forth through the copper mesh 301 in the stacking direction or pipe direction.
  • FIGS. 4 and 5 show a further example of a heat stack which consists of a winding of a wire with a high heat storage capacity.
  • the winding has a large number of layers and turns and is produced in such a way that the individual layers and turns do not touch anywhere. This is achieved, for example, when a first layer, as shown in FIG. 4, has a profile 401 with x -shaped cross-section and deep thermal conductivity is wound, the individual windings 402 being wound with such a pitch that they do not touch.
  • a strip 404 is then placed on each of the profile long sides 403 for Example glued or clipped on, after which the next layer 405 is wound in the reverse winding direction. The attached strips 404 ensure that the windings of the adjacent layers do not touch.
  • FIG. 5 A finished heat stack store of this type is shown in FIG. 5 in a cross section.
  • the basic profile 501 was expanded with a number of strips 504 and the heat stack store finally has a large number of layers 506.
  • the entire wire coil is enclosed by a heat-insulating square tube 507.
  • Such a heat stack store has a very high heat capacity in comparison to its volume and weight and, despite its industrially suitable production from an endlessly wound wire, is converted into largely discrete heat capacities when a fluid flows through it in the direction of the winding axis becomes.
  • Each individual heat capacity discreetly stores heat at one temperature. It is therefore possible to write temperature information into such a heat stack. If the temperature is varied when inputting, each heat capacity is assigned its own temperature, which can be read backwards out of the heat stack. This is not possible with the conventional heat regenerator.
  • the heat stack store enables the separation of two temperature levels by forming a pushing local boundary between two different temperatures within a medium acting as a second heat carrier. This limit must never migrate out of it, otherwise the desired separation of the temperatures would not be guaranteed.
  • the temperature limit inside such a heat storage stack acts selectively in that external energy can freely pass the limit while internal energy is stopped there.
  • FIGS. 6 and 7 show heat transfers from a fluid to the heat stack store through which it flows and vice versa on the basis of temperature curves T r, T, and both of the flow through
  • FIG. 6 shows these temperature curves, which are location-dependent in the direction of flow, in a snapshot of the situation where hot fluid has already flowed through the initially cold heat stack store for a while and continues to flow through.
  • the arrows indicate both the flow through as well as the shift directions of the curves.
  • the fluid flows from the left at a hot temperature T into the cold heat stack, which was originally located at temperature T 2 with the exception of the heat capacities at the smallest x coordinates.
  • the hot fluid flows into the still cold area of the heat stack, it releases heat from the heat capacities through which it flows until it has cooled to the same temperature as the heat stack, which is at the point where that Fluid has now arrived.
  • the heat stack storage takes on the original temperature - of the fluid.
  • FIG. 7 shows the reverse situation in which cold fluid has already flowed into the hot heat stack from the right for a short while and continues to flow through it.
  • the arrows in turn indicate the direction of flow and the respective direction of displacement of the heat transfer area.
  • the cold fluid at the temperature T 2 thus flows into the hot heat stack, which is at the temperature T., and the heat transition area migrates accordingly, the temperature curves of the fluid and the heat stack again being somewhat shifted.
  • the temperature limit inside a heat stack store is always understood to mean the essential heat transition area with the steep temperature curves as described above. In the real heat stack, this area extends over a certain area in the direction of the fault.
  • FIGS. 8 and 9 show, in a front and partially sectioned side view, such a temperature exchanger which consists of a series of spirally rolled or bent tubes 801 of high thermal conductivity.
  • the individual spirals 901 are aligned with one another with a small spacing.
  • the inner and outer mouths of the spiral tubes 801 are each connected by an axially extending tube 803, 804, 903, 904, whereby the tube spirals 901 are held together. They can also be held together by spacer elements.
  • This temperature exchanger is used for continuous temperature exchange between two fluid heat sources. The first, hot fluid flows through the spirals 801, 901 from the outside in, for example.
  • the second, cold fluid then flows around the individual spirals 901 of the spiral row from a central, for example perforated tube 805; 905 in the radial direction into a jacket perforated tube 806; 06.
  • the individual turns of the spirals form the discrete heat capacities for the fluid flowing past.
  • the steep temperature transition is approximately half the radius of the sprials. It is important that the second fluid can dissipate the same amount of heat as the first one. Otherwise the temperature transition curve would shift slowly and a temperature mixture would take place, which is to be avoided.
  • the described method and the devices for the approximate exchange of the temperatures of two heat transfer media can be used in further methods which ultimately enable the free conversion of heat and work into one another.
  • an energy conversion potential is created while reducing the total entropy, which in the end enables the conversion of heat into work in a second step. While many devices and methods for the second step are known and are used in a large number of different hydraulic and pneumatic work machines and devices, the methods and devices for the first conversion step belong to the essential subject of the present Invention. The generation of an energy conversion potential requires a detailed description.
  • FIG. 10 shows a simplest device for carrying out a method according to the invention for this first conversion step, which uses the method described for the approximate exchange of the temperatures of two heat transfer media.
  • This device does not yet convert heat into usable work, but as preparation for the implementation of such an energy conversion creates an energy conversion potential by generating a local change in the energy density within a system.
  • the device according to FIG. 10 consists of a pressure-resistant vessel 1001 made of little very heat-insulating material inside that contains a fluid.
  • the fluid portion in the upper vessel area 1003 is at the higher temperature T in the gas phase, the fluid portion in the lower vessel area 1004 at the lower temperature T with great advantage, but not necessarily, in the liquid phase. Means not shown are present to keep the two temperatures T, T.
  • a heat stack 1005 is arranged in the interior of the vessel 1001.
  • This heat stack memory 1005 can be moved up and down, for example by means of a mechanical or a non-contact electromagnetic drive.
  • the vessel 1001 is connected on its upper side to an environment which can consist, for example, of a closed circuit.
  • the line 1008 with the one-way valve 1006 leads into a pressure vessel in which the pressure 1 prevails and the return line in which the pressure p 2 ⁇ p- prevails via the line 1009 with the one-way valve 1007.
  • an alternating fluid current is generated at the temperature limit in its interior, which induces an alternating heat flow between the heat stack store 1005 and the fluid.
  • Part of this alternating fluid flow communicates with the environment, while the other part goes through the following cycle and does the compression work on the first part of the alternating fluid flow: a) isochoric heat supply (by moving the heat stack 1005 downward from its uppermost position, that is from the warm side to the cold one, with both one-way valves 1006, 1007 closed), b) isobaric heat supply (by further moving the heat Stack 1005 to its lowest position when fluid is conveyed through the one-way valve 1006 at the pressure p 1 from the vessel 1001 into the environment), c) isochoric heat dissipation (by moving the heat stack 1005 upward from the cold to the warm side, both of which One-way valves 1006, 1007 are closed), d) isobaric heat dissipation by further moving the heat stack 1005 up to its uppermost position when fluid flows through the one-way valve 1007 at the pressure p 2 into the vessel 1001, then again step a), etc.
  • This cycle process is characterized by a rectangle ABCD in the pV diagram, which is run through in a clockwise direction, as shown in the pV diagram according to FIG.
  • This cycle process generates the gas alternating current, which acts in the same direction on the environment by means of the two valves 1007, 1006.
  • the gas flow at pressure p 2 and temperature T flowing into the device via valve 1007 first experiences isobaric heat dissipation as it flows through the heat stack to the lower temperature T, then it is compressed isothermally to the pressure p 1 , whereupon it flows through the heat stack in the opposite direction and thereby absorbs the previously stored heat again isobarously, in order to finally get back into the environment via valve 1006.
  • the compression work is carried out by the previously described cycle.
  • the heat corresponding to this work must be supplied to the fluid in addition to the other heat losses at the upper temperature T, and the same heat must be removed from this fluid at the lower temperature T. It can be seen that the lower the lower temperature T, the lower the compression work and the heat throughput until it finally disappears approximately when the gas or fluid at the lower temperature assumes the liquid, incompressible state of matter.
  • the device works as an isothermal gas pump.
  • FIG. 12 shows an alternative device with a stationary heat stack store, which also acts as an isothermal gas pump. It differs from the device according to FIG. 10 only in the means for generating the alternating fluid flow and, as shown here, includes a vessel system 1201 comprising two cylinders 1206, 1207 that are as heat-insulating as possible, one 1206 of which is the heat stack storage 1205 and the other 1207 contains a piston 1208 acting as a displacer 1208.
  • the displacer 1208 and the temperature limit in the heat stack memory 1205 divide the vessel system 1201 into two variable vessel regions 1202, 1203 with the fluid inside at the two temperatures
  • the fluid portion in the vessel region 1202 is at the higher temperature T in the gas phase, the fluid portion in the vessel region 1203 at the lower temperature T is again advantageously, but not necessarily, in the liquid phase. Means are not shown to maintain the two temperatures T, T.
  • the displacer piston 1208 consists of a gas-tight material with the lowest possible thermal conductivity and small heat capacity. It is mounted inside the cylinder 1207 with as little friction and sealing as possible and can be moved up and down by means of the rod 1209. In this way, a relative movement between the fluid and the heat stack storage 1205 can be generated.
  • the two cylinders 1206, 1207 are connected at the top and bottom via lines 1210, 1211.
  • the upper line 1210 communicates via the line 1212 and the one-way valve 1214 with a pressure vessel in which the pressure p. prevail, and via the line 1213 and the one-way valve 1215 with the return, in which the pressure p 2 ⁇ p .. prevail.
  • the displacer piston 1208 is moved up and down, with which the vessel areas 1202, 1203 move back and forth locally and, as a result, fluid alternating currents and corresponding heat alternating currents with respect to the stationary heat stack memory 1205 be induced.
  • the thermodynamic processes are identical to those which have already been described for FIG. 10.
  • the alternating fluid flow communicates with the environment at the upper temperature T, in that a fluid is taken up from the environment, the fluid isothermally brought to higher pressure and finally released from the pressure vessel to the environment by relaxation . With this relaxation, an actual conversion of the form of energy takes place. Due to the isothermal compression before the expansion, the local energy density of the fluid conveyed from the process space has been increased compared to the fluid absorbed by it at a constant temperature.
  • the energy required to move the heat stack or the displacer is low, since the pressure in the process space spreads equally on all sides. If, for example, the upper part 1216 of the rod 1209 is omitted, a resultant torque can be generated together with the changing pressures within the device on a crank mechanism, so that the device can be executed in a self-running manner.
  • FIG. 13 shows a device in which the fluid, in contrast to the device shown in FIGS. 10 and 12, communicates with the environment at the lower temperature T of the heat stack store 1311. Otherwise, the device also has a vessel system 1301 with the same elements.
  • the vessels are connected to one another via line 1310, and below via line 1302.
  • a further line 1303 leads from the connecting line 1302 via a one-way valve 1304 into a hydraulic accumulator.
  • a line 1306 also leads via a one-way valve 1307 from an open hydraulic container, that is to say connected to the environment, into the line 1302.
  • the fluid contained in the vessel system is kept at two temperatures T, T such that it is in the upper vessel region 1308 at the higher temperature T in the gas phase and in the lower vessel region 1309 at the lower temperature T in the liquid phase.
  • the methods and devices described so far are not entirely self-running. Additional means are required in order to keep the methods and devices in operation. For example, the temperatures in the lower and T upper region of the vessel must be kept and the fluid alternating currents or alternating heat currents must be induced by generating a relative movement between the fluid and the heat stack storage become. The generation of this relative movement as well as the maintenance of the required heat sink on the lower temperature T may be provided with with t ELN that use a small part of the fluidic pressure potential generated accordingly.
  • the fluidic pressure potential can be converted into mechanical work in a known manner by means of an expansion machine. It can be, for example, an expansion turbine for the expansion of a compressed gas or a hydrostat for the conversion of a hydraulic pressure potential.
  • the gas cools down at the same time, which can then be used as a coolant to maintain the required heat sink.
  • a heat pump can be driven, for example, by converting it into mechanical work in order to maintain the two temperatures.
  • FIG. 14 shows a device which includes an additional device for converting the fluidic pressure potential into mechanical energy, a portion of which is then used directly to maintain the operation of the method, while the rest can be used freely.
  • This device is a perpetuum mobile type 2, which has so much heat must eat how it delivers usable mechanical work.
  • the device consists of two cylindrical vessels 1401, 1402, in each of which a piston 1403, 1404 is sealingly mounted.
  • the two pistons 1403, 1404 are phase-shifted with respect to the spatial change they cause, which forces the phase shift of the volume changes of the fluids according to the invention.
  • the coupling advantageously has the effect that the piston 1404 in the second cylinder 1402 leads the piston 1403 in the first cylinder 1401 by a phase shift of approximately 90 °.
  • a heat stack store 1405 Arranged in the interior of the cylindrical vessel 1401 above the top dead center of the piston 1403 is a heat stack store 1405, which represents the main heat stack store 1405 of this device. Above this main heat stack storage 1405 there is a capacitive heat storage 1406, which consists of a material with a high heat storage capacity, for example a thinly rolled copper corrugated sheet, which is like a roll of corrugated cardboard in the vessel along the cylinder axis is ordered and can therefore be flowed through in the direction of the longitudinal axis of the vessel.
  • this heat store 1406 can also be provided, for example, by fine copper wool, which fills this space. It is important that this heat accumulator 1406 can quickly absorb, store and release heat.
  • the cylinder 1401 contains a separating membrane 1408 formed as a bellows 1408 made of sealing, thermally conductive material.
  • This separation membrane 1408 sealingly divides the interior of cylinder 1401 into two variable areas.
  • the space 1409 remaining at this upper cylinder end is dimensioned such that the bellows 1408 arranged therein can be pulled out and collapsed again, the displacement volume of the bellows 1408 between the folded and the unfolded state being at least the stroke volume of the piston 1404 in the second cylinder 1402 corresponds.
  • a pressure line 1410 leads from the upper end of the first cylinder 1401 into the second cylinder 1402.
  • the pressure line 1410 can serve, among other things, to absorb heat and for this purpose can be led through corresponding heating means 1411 or media, so that it flows therein Fluid that can transport heat into the first cylinder 1401. However, the heat can also be absorbed directly in the area above the bellows 1408.
  • the cylindrical vessel 1401 is basically divided into three areas with different temperatures by the two heat stack stores 1405, 1407.
  • the highest temperature T prevails between the two heat stack stores 1405, 1407.
  • the cylinder 1401 basically contains two fluids of different substances below the separating membrane 1408, one of which on the lower te - temperature T of the heat stack storage 1405 is always in the liquid phase and is at its upper temperature T in the gas phase.
  • the second fluid F. is always in the gas phase and occupies the entire free space in the first cylinder 1401 up to the inside of the bellows 1408.
  • the first fluid F water and the second fluid F. nitrogen.
  • the combination of alcohol as F ⁇ would also be suitable. and nitrogen as F SD, liquid carbon dioxide as Fa and nitrogen as F. or liquid nitrogen
  • cylinder 1401 is filled with a temperature-resistant hydraulic fluid F ⁇ rl.
  • F ⁇ rl a temperature-resistant hydraulic fluid
  • Cylinders 1402 are completely filled with this hydraulic fluid F ".
  • This device is a self-running machine which periodically reversibly converts heat into mechanical energy. The use of mechanical energy finally causes the conversion back to heat, which is released to the environment.
  • the device can also draw the heat required for operation from precisely this environment, since when the gas is expanded inside the bellows 1408, heat has to be applied from the outside. Conditional The reason for this is that the temperature T inside the bellows 1408 must be at a lower level than the ambient temperature. In this case, the system is supplied with heat from the environment via the heat exchanger 1411 via the hydraulic fluid F H.
  • the efficiency of such a machine is primarily dependent on the magnitude of the temperature difference between the lower temperature T or T prevailing in the environment and the upper temperature T, which is in the interior of the cylinder 1401 in the heat capacity 1406 prevails, determined. Losses result exclusively from the building materials and components to be used, which are naturally not ideal. Thus, a small proportion of the heat will flow down through the cylinder walls of the cylinder 1401 and also through the heat stack memory 1405, due to its non-ideal characteristics, a small part of the heat will reach the cold side downwards.
  • the lower temperature Tu in the liquid fluid fraction Fa can correspond approximately to the ambient temperature, so that it is maintained by the ambient cooling.
  • the alternating fluid flow of the fluid F liquid at the lower temperature T generated by the piston 1403 at the temperature limit in the main heat stack store 1405 undergoes a cyclic process, which is approximately shown in the TS diagram according to FIG. 15A and successively includes the following steps:
  • FIG. 16 shows a device which combines the various methods and devices according to the invention to form a system which operates continuously and is a second-type perpetuum mobile.
  • This system guides the fluid in an external circuit through two different devices 1601 and 1602 according to the invention, which gradually increase the pressure of the fluid and then through a machine 1616 for converting fluidic to mechanical energy, for example by a known one Expansion machine.
  • the fluid alternating current and thus a heat alternating current is induced in the devices 1601, 1602 shown here by the fact that the heat stack stores 1605, 1607 are moved relative to the fluid even in each device 1601, 1602 according to the invention, for example by means of crank drives.
  • the external cycle process which the fluid undergoes when flowing through the circuit, is counterclockwise and, in addition to converting heat into work, creates the temperature range for maintaining the operation of the two devices for generating the energy conversion potential.
  • the inner circular processes which the fluid alternating currents experience inside the individual devices 1601, 1602 are clockwise, and the areas which they enclose in the pV or TS diagram are a measure of those of them compression work performed per cycle on the outer cycle.
  • the first device 1601 runs between the upper temperature T -. , which advantageously corresponds to the ambient temperature and the lower temperature T .., and the fluid contained therein communicates with the external circuit at the lower temperature T.
  • the first device 1601 absorbs heat from the environment to maintain its upper temperature T -.
  • the upper end of the vessel 1608 has the largest possible surface, so that, for example, a plurality of caps 1621 are formed when viewed from below. Needles 1622 can be inserted into these caps 1621, which sit on the uppermost heat capacity of the heat stack storage 1605, so that only a minimal dead volume remains in the top dead center of the heat stack storage 1605 and a large heat transfer per time from the environment to that intermediate gas is possible.
  • a pressure line 1609 leads through a one-way valve. til 1610 out of the vessel 1608.
  • This pressure line 1609 leads further through heating means 1611 for further heat absorption from the environment and finally via a one-way valve 1612 into the side of the upper temperature T "of the vessel 1615 of the second device 1602.
  • a pressure line 1613 leads from the upper via a one-way valve 1614 Side of the vessel 1615, that is, on the side of its upper temperature T 2 and into an expansion machine 1616. From the expansion machine 1616, a pressure line 1617 leads back to the second device 1602 and there as a cooling coil 1618 around the area of lower temperature T 2 of the vessel 1615 of this device 1602.
  • this cooling coil 1618 leads from the end of this cooling coil 1618 as a pressure line 1619 via a one-way valve 1620 into the lower side of the vessel 1608 of the first device 1601, that is, into the side of its lower temperature T .. If the heat stacks 1605, 1607 in these devices 1601, 1602 and a b move, the fluid enclosed in the described circuit experiences an external, left-handed circular process, while the fluid alternating currents in the devices 1601, 1602 experience right-handed circular processes.
  • the left-handed cycle process is described, which is shown in the left diagram of Figure 17A.
  • point 1 is the fluid as a result of the adiabatic expansion at the lowest pressure p 1 and at the lowest temperature T.
  • the second device 1602 is guided through the cooling coil 1618 at the lower part of this device to maintain the lower temperature T 1 and takes up isobaric heat there, after which it reaches the temperature T 1 .
  • T 1 the temperature of the TS diagram
  • At this temperature it reaches the bottom of the device 1601 and is adiabatically compressed therein, the work of compression being removed from the surroundings in the form of heat at the upper temperature T .
  • This adiabatic compression is described in the TS diagram by the path from point 2 to point 3.
  • the heat sink is held in the device 1601 by the inflow of the fluid at the lower temperature T -.
  • the fluid flows from point 3 through the heating means 1611, which are at the highest temperature T of the entire system. It absorbs isobaric heat there, which corresponds to the path from point 3 to point 4 in the TS diagram.
  • the second device 1602 it is then compressed isothermally, which is described by the horizontal from point 4 to point 5 in the TS diagram. Then it is relaxed adiabatically in the expansion machine 1616 and returns to the state in point 1 as described by the vertical in the TS diagram.
  • the state of the liquid portion of the fluid is represented by point 6.
  • the cycle of the alternating fluid flow in the first device 1601 takes place at lower pressures. It begins at the lower temperature T., still below the lower temperature T.sub .-- of the second device 1602 at point 10. As in the second device, an isochoric heat supply follows from point 10 to point 11 until the one-way valve 1610 opens and fluid can flow out. The further supply of heat then takes place isobarically along the isobars from point
  • the changes in the state of the alternating fluid currents have been considered, the changes in the state of the fluid components which remain at the respective upper or lower temperature can also be considered. Essentially, these fluid components change their pressure approximately along isotherms.
  • the gaseous fluid moves isothermally in the area of the upper temperature T 2 between points 4 and 5 in the diagram on the left and the liquid fluid in the area of the lower temperature T 2 remains at point 6, since a The change in pressure in point 6 cannot be represented.
  • devices 1601 and 1602 are self-running. This is the case because a piston rod protrudes into its interior only on its underside and, at the same time, the internal pressures during the upward movement of the heat stack accumulators are lower than the pressures during the downward movement. This results in torque on the crankshafts.
  • Figure 18 shows another plant for converting heat into work.
  • a first device 1801 is integrated, which communicates with the circuit at the upper temperature T -.
  • the device 1801 has one from the lower side in the cylinder linder 1823 of the device acting piston 1803 and contains a fluid at the lower temperature T ⁇ fluid, for example nitrogen.
  • a pressure line 1804 leads through the one-way valve 1806 into the device and a pressure line 1809 through the one-way valve 1808 out of the device 1801.
  • This device 1801 essentially acts as a pump in that it pumps the fluid through the heat stack store 1805, which absorbs heat there and leaves the device 1801 in the gas phase at high pressure.
  • a bladder accumulator 1810 is connected to the pressure line 1809 in order to compensate for pressure fluctuations in the pressure line 1809.
  • the compressed gas is next expanded in the expansion machine 1811. Part of the work performed by the expansion machine 1811 is used to operate the device 1801.
  • the expanded gas absorbs heat at the lower temperature T 2 of a second device 1802 in order to keep this temperature T 2 there, and then flows through a temperature exchanger 1812, where it again absorbs heat, below more heat absorption by a heat source 1813 and finally via the pressure line 1804 and the one-way valve 1806 back into the first device 1801.
  • the pressure line 1804 is also connected to a bladder accumulator 1814 in order to compensate for pressure fluctuations.
  • the circuit described forms the first loop.
  • a second loop branches off in front of the expansion machine 1811 and leads via the line 1815 and the one-way valve 1816 into the upper area Temperature T_ of the second device 1802.
  • a movable heat stack 1807 is arranged, which can be moved up and down, for example, by means of a crank mechanism.
  • the incoming gas is compressed in the device 1802 and conveyed into the pressure line 1818 via the one-way valve 1817.
  • This pressure line 1818 is also connected to a bubble reservoir 1819 to compensate for pressure fluctuations. It leads the gas as countercurrent fluid through the temperature exchanger 1812, where it gives off heat.
  • the fluid flows with further heat emission through a further temperature exchanger 1820 and then through a throttle 1821. Its now liquefied portion flows back through line 1822 on the side of the lower temperature T m via a further throttle 1824 into the first device 1801 .
  • the still gaseous fraction is used as counter-flowing fluid in the temperature exchanger 1820, where it absorbs heat and then flows back into the pressure line 1808 via the line 1825 in front of the expansion machine.
  • the changes in state of the fluid in the two loops are shown qualitatively in the TS diagrams according to FIGS. 19A and 19B.
  • the states are numbered and correspond to the corresponding numbers in the loops of the circuit.
  • the fluid in the first loop undergoes a left-handed cycle, which is shown in Figure 19A.
  • point 1 when pumping out of the device 1801, it is at the highest temperature T - and the highest pressure.
  • T - and the highest pressure After adiabatic relaxation in the expansion machine 1811, it has reached the state in point 2.
  • the change in state is shown in the diagram on the left as perpendicular from point 1 to point 2.
  • the fluid flowing in the second loop experiences the changes in state shown in the diagram in FIG. 19B.
  • part of the fluid in state 1 is removed at the temperature T Q1 and compressed in the second device 1802 without it absorbing heat.
  • the warmth that is on of the lower temperature T _ between points 2 to 3 is removed by the second device 1802, is not added above and therefore the temperature drops during the compression.
  • the fluid changes its state along a polytropic, which runs between an isobar and an isotherm from point 1 to point 6. It is then passed through the temperature exchanger 1812, where it gives off isobaric heat, corresponding to the change in state from point 6 to point 7 in the diagram.
  • FIG. 20 shows a continuously running system in which only the continuously running method for exchanging the temperatures of two heat carriers flowing uniformly to one another is used.
  • the system consists of a circuit in which the fluid from the state of maximum pressure passes through an expansion machine 2001 and is expanded therein. It then absorbs heat in a first temperature exchanger 2002, is then passed through a heating source 2003, where it continues to absorb heat, and then passes through a compressor 2004, in which it is adiabatically compressed. Then it flows through a second temperature exchanger 2005, in which it gives off isobaric heat and is liquefied. It then continues to flow as a counter-flowing fluid through the first temperature exchanger 2002 already described, in which it continues to give off heat and its temperature drops further in the liquid phase. The liquid fluid is then compressed and conveyed by means of the pump 2006 and flows as counter-flowing fluid through the temperature exchanger 2005, which has also already been described, in which it absorbs isobaric heat, evaporates and regains its original state gc.
  • Adiabatic compression including part of the work gained in the adiabatic relaxation of 1 to 2. This compression is necessary so that the temperature in state 5 is above that in state 1 and that in state 2 is below that in state 7;
  • the expansion machine 2001 delivers the gross power P ß .
  • a portion P p of this output is required as pump output and a further portion P "for driving the compressor.
  • the remaining power P can be used freely.
  • Density of the liquid fluid is required, during which the pure conveying work cannot be represented.

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Abstract

Wärme und Arbeit werden frei ineinander umgewandelt, indem die Temperatur eines Körpers durch Wärmezufuhr und Wärmeabfuhr mittels dem erfindungsgemässen Temperaturaustauschverfahren periodisch zwischen einer oberen To und einer unteren Temperatur Tu geändert wird, wobei dem Körper eine gegenüber seiner isobaren Volumenänderung phasenverschobene Volumenänderung aufgezwungen wird. Im Verfahren zum näherungsweisen Austauschen der Temperaturen zweier Wärmeträger durch Wärmeübertragung werden zwei Wärmeträger über eine Strecke in gegenseitigen Wärmekontakt gebracht, indem sie in ihrer allgemeinen Bewegung gegeneinander verschoben werden, wobei der Wärmewiderstand innerhalb der Wärmeträger in ihrer allgemeinen Bewegungsrichtung möglichst hoch gehalten wird, währenddem in Normalrichtung zur allgemeinen Bewegungsrichtung der Wärmewiderstand möglichst klein gehalten wird.

Description

Verfahren und Vorrichtungen zur freien Umwandlung von Wärme und Arbeit ineinander und zum näherungsweisen Austauschen der Temperaturen zweier Wärmeträger durch Wärmeübertragung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrich¬ tungen zur freien Umwandlung von Wärme und Arbeit ineinander. Weiter beinhaltet die Erfindung ein Verfahren und Vorrichtun¬ gen zum näherungsweisen Austauschen der Temperaturen zweier Wärmeträger, welches Verfahren und welche Vorrichtungen sich als Mittel zur Ausübung der Verfahren zur freien Umwandlung von Wärme und Arbeit ineinander erweisen.
Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik ist ein reiner Erfah¬ rungssatz, von dem es verschiedene Formulierungen gibt. Er gilt heute als Naturgesetz. Erweist sich auch nur eine seiner Formulierungen als unrichtig, so fällt dieser Satz. Die vorliegende Erfindung geht von mehreren in der Natur be¬ obachteten Vorgängen aus, die im Widerspruch zu den Aussagen des zweiten Hauptsatzes stehen und daher nachweisen, dass der zweite Hauptsatz der Thermodynamik nicht gültig ist.
Doch wie kam es zur Formulierung dieses Satzes? - Der deut¬ sche Arzt Julius Robert Mayer (1814-1878) erkannte als erster, dass Arbeit und Wärme zueinander gleichwertige (äquivalente) Erscheinungsformen ein und derselben Grosse sind, nämlich der Energie. Durch sorgfältige Beobachtung von Vorgängen in der Natur fand er die fundamentalen Naturgesetze der Energie. Er stellte 1842 den Energiesatz auf, welcher heute als erster Hauptsatz der Thermodynamik bezeichnet wird. Die Erkenntnis, dass Wärme und Arbeit äquivalente Grossen sind, ist im Energiesatz als Teilaussage enthalten. Wärme und Arbeit müssen nach der Aussage des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik frei umwandelbar sein, sonst wären sie nicht äquivalente Grossen, die in einer Gleichung addiert werden dürfen. Diese Feststellung löste damals in der Fachwelt heftigste Reaktionen aus, denn nach ihr musste die Konstruk¬ tion einer Maschine möglich sein, welche Wärme vollständig in Arbeit umwandelt. Die Aussage dieses Satzes stand damals im Widerspuch zu dem seit dem Jahre 1824 als maximal anerkannten Carnot-Wirkungsgrad einer Maschine zur Umwandlung von Wärme in Arbeit. Und sie steht logischerweise auch heute noch im Widerspruch dazu. Erst acht Jahre nach Aufstellung des Energiesatzes durch Mayer, im Jahre 1850, formulierte Rudolf Julius Emanuel Clau- sius (1822-1888) den Satz, es sei unmöglich, dass Wärme von selbst von einem Körper tieferer Temperatur zu einem Körper höherer Temperatur fHesse. Wärme und Arbeit sei daher nicht frei ineinander umwandelbar. Seine Formulierung gab Anlass, die Wärme fortan je nach der Höhe der Temperatur, auf der sie sich befindet, zu werten. Je höher die Temperatur sei, umso nutzbarer sei Wärme, je tiefer die Temperatur sei, umso wert¬ loser sei die Wärme, bis sie schliesslich bloss noch als Ab¬ wärme zu bezeichnen sei. Trotzdem, dass diese Annahme einen klaren Widerspruch zu den Aussagen des ersten Hauptsatzes darstellte, setzte sich diese Ansicht durch. Zu deren Be¬ schreibung führte Clausius schliesslich die Entropie als neue Zustandsgrösse ein, eine Grosse, die in natürlichen Prozessen entsprechend nur zunehmen könne, wie eben Wärme nur von einem Körper höherer zu einem Körper tieferer Temperatur fliessen könne. Man fand diese Ansicht in der Natur bestätigt, da man nirgends einen Prozess beobachtete, in dem diese Entropie ab¬ nahm.
Die seither offenbar wahrgenommenen Erfahrungen schienen diese Ansicht zu bestätigen und der Satz von Clausius wurde neben dem Energiesatz des J.R. Mayer, obwohl er diesem wider¬ spricht!! ) , zum zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, nach welchem die freie Umwandlung der Energie zwischen Wärme und Arbeit, ein sogenanntes Perpetuum mobile 2. Art, unmöglich ist. Man hat bei jeder anderen Energieform Möglichkeiten und Wege für die theoretisch freie Umwandlung gefunden, nur wenn es um die Wärme geht, soll deren Umwandlung stark eingeschränkt sein. Im Bereich der Elektrizität kennt man zum Beispiel den Transformator zur Umwandlung der Spannung eines elektrischen Stromes. Es kommt aber niemandem in den Sinn, von einer elektrischen Stromquelle mit niedriger Spannung zu sagen, sie sei minderwertig gegenüber einer Stromquelle höherer Span¬ nung. Das gleiche gilt sinngemäss auch für potentielle oder kinetische Energie. So kommt es niemandem in den Sinn, von einer potentiellen Energie, zum Beispiel einem Druckpotential auf tieferer Druckhöhe zu sagen, es sei minderwertiger als eines, das auf höherem Druck gespeichert ist, oder von einer kinetischen Energie, sie sei höherwertig, wenn sie mit höhe¬ ren Geschwindigkeiten verbunden ist. Es ist klar, dass es al¬ lein auf den Betrag der Energie ankommt, nicht auf die Höhe des Druckes oder die Höhe der Spannung. Diese Beträge können gleich oder verschieden sein. Bei der Wärme verhält es sich aber ebenso, und zu unrecht hat man sie bisher stets nach der Temperatur, auf der sie sich befindet, gewertet. Alle Fest¬ stellungen, die schliesslich zu den verschiedenen Formulie¬ rungen des zweiten Hauptsatzes führten, gingen von einer un¬ zulässigen temperaturabhängigen Bewertung der Wärme als Ener¬ gieform aus. An Ausdrücke, die widersprüchlich zum Energie¬ satz sind, haben wir uns inzwischen schon lange gewöhnt. So spricht man zum Beispiel von hochwertiger Energie, Abwärme, Energieverbrauch, Energiesparen usw. Solange der erste Hauptsatz Gültigkeit hat, sind Wärme und Arbeit äquivalente Grossen und müssen daher frei umwandelbar sein. Alle Feststellungen, die zur Formulierung des zweiten Hauptsatzes führten, müssen deshalb widerlegbar sein. Es bleibt ein rein technisches Problem, ein Verfahren zur freien, uneingeschränk,en Umwandlung von Wärme in Arbeit zu finden. Allein, was Julius Robert Mayer schon 1842 erkannte und aussagte, konnte bis heute nicht in die Praxis umgesetzt werden.
Betrachtet man, für welche Temperaturen der Carnot-Wirkungs- grad nc = 1 - T2/Tl reale Lösungen hat, so ergeben sich folgende Bedingungen:
T± > 0 und
T2 > oder = 0 Für τ„ = 0 findet man eine reale Lösung der Gleichung und n wird Eins, was beweist: Wärme und Arbeit sind einander gleichwertig (äquivalent) ! Weiter zeigt die Gleichung, dass T. nicht Null sein darf, was das Nerntsche Wärmetheorem be¬ stätigt, dass der Nullpunkt unerreichbar ist. Aus dem soge¬ nannten Carnot-Wirkungsgrad geht aber keineswegs her%or, dass in einem Verfahren zur Umwandlung von Wärme in Arbeit prinzi¬ piell Wärme auf einer oberen Temperatur in das System ein- fHessen und Wärme an eine Wärmesenke abgeführt werden muss. Dessenungeachtet fand dieser Glaube in der Formulierung des zweiten Hauptsatzes seinen Niederschlag. Es ist ausserdem unkorrekt, bei der Carnot-Zahl von einem Wirkungsgrad im ei¬ gentlichen Sinne zu sprechen. Diese Zahl gibt bloss den An¬ teil der zugeführten Wärme an, welcher in diesem speziellen Kreisprozess in Arbeit -umgewandelt wird.
Ebensogut kann man direkt vom Energiesatz ausgehen und sich ein System vorstellen, welches einem Wärme räger einen Teil seiner Wärme entzieht, in Arbeit umwandelt und den Wärme¬ träger auf einer tieferen Temperatur zurücklässt. Ist Q ZU die ursprüngliche innere Energie des Wärmeträgers und Q . die in¬ nere Energie des Wärmeträgers nach den Entzug der Wärme ΔQ und W die gewonnene Arbeit, so gilt
ΔQ = W. Drückt man die Arbeit W im Verhältnis zur ursprünglichen in¬ neren Energie aus, erhält man
Figure imgf000008_0001
Unter der Voraussetzung idealen Verhaltens des Wärmeträgers gilt -.Q/ -.Υ = konstant und man kommt zum gleichen Ergebnis wie Carnot, nämlich auf
W Qzu = x " Vτr wobei T. die Temperatur des Wärmeträgers vor dem Umwandeln der Wärmemenge ΔQ in die Arbeit W und T_ die Temperatur des Wärmeträgers danach bedeutet.
Nachfolgend werden einige Feststellungen aus der Beobachtung der Natur beschrieben, die jeweils eine besondere Formulie¬ rung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik widerlegen. Eine Formulierung des 2. Hauptsatzes lautet:
Alle natürlichen Prozesse sind irreversibel (Clausius) .
Widerlegung dieser Formulierung:
Als klassisches Beispiel einer irreversiblen Zustandsänderung gilt der bekannte Ueberström-Versuch von J.L. Gay-Lussac. Man betrachte nun eine entsprechende Versuchsanordnung mit zwei durch eine dichte Trennwand voneinander getrennten Gefässen. Die Gefässe seien übereinander statt wie üblich dargestellt nebeneinander angeordnet und bilden gleichzeitig die Grenze des betrachteten geschlossenen Systems. Das untere Gefäss sei mit Gas gefüllt, das obere evakuiert. Nach dem Oeffnen der Trennwand verteilt sich das Gas auf beide Gefässe. Das ent¬ spricht dem bekannten Ueberström-Versuch von Gay-Lussac, mit dem er zeigte, dass die Temperatur und innere Energie des Gases mit dem Ueberströmen unverändert bleibt. Nach dem Ueberströmen kühle man die Gefässe und damit auch das in die¬ sen Gefässen enthaltene Gas ab, wobei Wärme vom System ab¬ geführt werden muss. Bei genügender Abkühlung kondensiert praktisch alles Gas und sammelt sich als Flüssigkeit im unte¬ ren Gefäss an. Schliesst man sodann die Trennwand zwischen den beiden Gefässen und führt die genau gleiche Wärmemenge, die abgeführt wurde, dem System wieder zu, so wird der Aus¬ gangszustand erreicht. Der Umgebung wurde die genau gleiche Wärmemenge, die ihr erst zugeführt wurde, wieder entnommen. Wie das geschah, ist ein rein technisches Problem. Die Entro¬ pie hat weder im System noch in der Umgebung eine Aenderung erfahren. Der Ueberströmversuch erweist sich deshalb als re¬ versibel, im Widerspruch zur bisherigen Lehre, die aussagt, der Gay-Lussac'sehe Ueberströmversuch zeige einen irreversi¬ blen Vorgang und könne nur unter Aufwendung von Energie beziehungsweise Arbeit- am System und entsprechender Wärmeab¬ fuhr vom System wieder rückgängig gemacht werden, wobei das Rückgängigmachen eine unauslöschliche Veränderung in der Um¬ gebung des Systems zur Folge habe.
Eine weitere Formulierung des 2. Hauptsatzes lautet:
Wärme kann nur dann in Arbeit umgewandelt werden, wenn zugleich ein Teil der Wärme von einem wärmeren auf einen kälteren Körper übergeht. Oder: Es exisitert eine Zu- standsgrösse, Entropie genannt, deren Aenderung gegeben ist durch die dem System auf reversible Art zugeführte Wärme, dividiert durch die absolute Temperatur. In einem abgeschlossenen System kann die Entropie nicht abnehmen. Eine Maschine, welche der obigen Einschränkung nicht un¬ terworfen wäre, wäre ein Perpetuum mobile zweiter Art. Eine solche Maschine existiert nicht (Thomson) .
Widerlegung dieser Formulierung:
Ein Thermometer bewegt mit jeder Temperaturänderung einen Flüssigkeitsfaden oder einen Zeiger. Es überwindet dabei Rei¬ bung und leistet somit Arbeit. Eine bleibende Veränderung am Thermometer selbst ist jedoch im Laufe der Zeit nicht fest¬ stellbar, also muss es, wie das der erste Hauptsatz der Ther¬ modynamik auch fordert, mit seiner Umgebung eine im Durch- schnitt ausgeglichene Energiebilanz aufweisen. Eine Tempera¬ turänderung ruft für die Veränderung der Anzeige einen separaten Energiekreislauf hervor. Ein Thermometer ist in ei¬ ner Umgebung von ständig wechselnder Temperatur ein Perpetuum mobile zweiter Art! Zur Veränderung der Anzeige wandelt es laufend die Wärme in Arbeit um, die dann wieder als Reibungs¬ wärme anfäl1 .
Eine weitere Beobachtung, welche im Widerspruch zu herkömmli¬ chen Auffassungen steht, kann an der folgenden Anordnung an¬ gestellt werden. Man stelle sich ein geschlossenes Gefäss vor. Dieses sei annähernd mit Wasser und darüber mit Hydrau- lik-Oel gefüllt. Oben am Gefäss führen über zwei Einwegven¬ tile mit bezüglich des Gefässes zueinander umgekehrten Durch¬ lassrichtungen Druckleitungen in zwei Hydrauliköl-Behälter. Der Behälter, zu dem die Leitung führt, durch welche Oel vom Gefäss her strömen kann, ist ein Hochdruck-Speicher. Der an¬ dere Behälter, von dem Oel ins Gefäss strömen kann, mag of¬ fen, also mit der Atmosphäre verbunden sein. Das Wasser im Gefäss befinde sich im flüssigen Aggregatzustand. Ein Wärme¬ entzug bewirkt den Uebergang vom flüssigen in den festen Zu¬ stand des Wassers, welches sich dabei im Volumen ausdehnt, während das Oel infolge seines tieferen Gefrierpunktes flüs¬ sig bleibt. Als Folge wird Oel von einem Volumen V- gegen den Druck p. , unter dem der Hochdruck-Speicher steht, aus dem Ge¬ fäss in den Hochdruck-Speicher gepumpt. Es wird dabei mechanische Arbeit geleistet, nämlich im Betrag von p^^ * V^ wobei p1 der Förderdruck ist, welcher enorm hoch sein kann. Interessanterweise wird mechanische Arbeit dadurch geleistet, dass Energie, nämlich Wärme, vom System abgezogen wird! Wird schliesslich wieder Wärme an das gefrorene Wasser zugeführt, so verflüssigt es sich und das Volumen des Wassers vermindert sich um den genau gleichen Betrag V-, um den es vorher zuge¬ nommen hat. Entsprechend strömt Oel aus dem anderen, offenen Behälter auf einem viel niedrigeren Druck p~ als p1 in das Gefäss. Aus der Tatsache, dass also gilt
Pl * Vl >» P2 * Vl erkennt man sofort, dass wegen des Energieerhaltungssatzes die Wärmezufuhr bei einem solchen Zyklus grösser sein muss als die Wärmeabfuhr. Nichtsdestotrotz wird die mechanische Arbeit durch Wärmeabfuhr geleistet! Die nachher zugeführte Wärme ist an sich eine Ergänzungswärme, mittels welcher der ursprüngliche Zustand des Systems wieder hergestellt wird. Die Differenz zwischen der zugeführten und der abgeführten Wärme entspricht exakt der pro abgeschlossenem Zyklus gelei¬ steten mechanischen Arbeit, im Widerspruch zur obigen 2. For¬ mulierung des zweiten Hauptsatzes. Eine solche Vorrichtung ist in einer Umgebung von zyklisch variierender Temperatur, wie auch das Thermometer, selbstlaufend!
Die Erklärung zu dem offenbaren Widerspruch zur herkömmlichen Lehre ergibt sich aus dem Kreisprozess von Carnot selbst, wie er diesen im Jahre 1824 beschrieben hat. Allerdings muss die¬ ser Kreislauf dazu absolut konsequent interpretiert werden. Streng genommen gilt er nämlich allein für ideale, definierte Verhältnisse. Aufgrund der Zustandsgieichung pV = mRT für ideale Gase leitete S. Carnot für seinen Kreisprozess den Wirkungsgrad nc = 1 - T2 Tl ab, wobei T1 die höhere, T2 die niedrigere Temperatur ist. Dieser Wirkungsgrad wird 1, wenn die Temperatur T2 = 0 ge¬ setzt wird. Die Annahme des absoluten Nullpunktes ist nur un¬ ter den definierten theoretischen Voraussetzungen erlaubt. Setzt man in der Zustandsgieichung pV = mRT für T Null ein, so erhält man bei gegebenem Druck p > 0 für das Volumen V ebenfalls Null, was bedeutet, dass ideale Gase bei der Tempe¬ ratur T = 0 inkompressib^l werden. In diesem Zustand kann der Druck p beliebig geändert werden, ohne dass die innere Ener¬ gie des Gases beeinflusst wird. Reale gasförmige Stoffe er¬ reichen nun aber diesen inkompressiblen Zustand, wenn auch nicht absolut, bei höheren Temperaturen, nämlich dann, wenn sie unter die Kondensationstemperatur abgekühlt den flüssigen Aggregatzustand einnehmen. In diesem Zustandsbereich der Stoffe ist die Anwendung der Zustandsgieichung für ideale Gase nicht mehr zulässig und damit verliert auch die auf die¬ sen Zustandsgieichungen beruhende Herleitung für den Wir¬ kungsgrad des Carnot-Kreisprozesses ihre Gültigkeit. Der Wir¬ kungsgrad des Carnot-Kreisprozesses gilt nur eingeschränkt für die Gasphase und ist nicht allgemein gültig. Fährt man zum Beispiel mit dem Stirling-Prozess, der bezüglich dem Wir¬ kungsgrad dem Carnot-Prozess gleichwertig ist, mit der unte¬ ren Temperatur des Arbeitsmediums bewusst in die Flüssig- phase, so nimmt der Wirkungsgrad im Idealfall den Wert Eins an.
Die Natur führt uns vor, wie Wärme frei in Arbeit umwandelbar ist. Fasst man das Wasser des natürlichen Wasserkreislaufes als geschlossenes System innerhalb einer alles umfassenden Umgebung auf, so ist nachweisbar, dass die Energiebilanz zwi¬ schen dem geschlossenen System und der Umgebung im Durch¬ schnitt exakt ausgeglichen ist, und dass Wärmewechselströme unaufhörlich und verlustfrei die Systemgrenze überqueren. Mit diesen Wärmewechselströmen geht ein Wärmegleichstrom einher, der das Wasser in der Atmosphäre aufsteigen lässt und dabei in potentielle Energie des Wassers übergeht, die schliesslich mit der Ueberwindung der Reibungsarbeit des zu Tale fliessen¬ den Wassers als Reibungswärme wieder an den Ursprung des Wärmegleichstroms zurückkehrt. Das Zustandekommen der Wär e- wechselströme ist auf die räumlichen und zeitlichen Unter¬ schiede zwischen der Wärmeeinstrahlung von der Sonne und der Warmeabstrahlung der Erde zurückzuführen, aber nicht auf die Wärmestrahlung selbst. Die Wärmewechselströme widerlegen das Theorem von Clausius und der geschlossene Energiekreislauf wiederlegt das Theorem von Thomson und beide Erscheinungen bestätigen das Energieprinzip des Julius Robert Mayer.
Ein Verfahren zur freien, uneingeschränkten Umwandlung von Wärme in Arbeit zu finden, ist deshalb nicht prinzipiell un¬ möglich, sondern bloss ein technisches Problem. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, dieses Problem zu lösen.
Diese Aufgabe wird gelöst von einem Verfahren zur freien Um¬ wandlung von Wärme und Arbeit ineinander, das gekennzeichnet ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1, und von einem Verfahren zum näherungsweisen Austauschen der Temperaturen zweier Wärmeträger durch Wärmeübertragung, das durch die Merkmale des Patentanspruches 2 gekennzeichnet ist und sich als Mittel für die Ausübung des erstgenannten Verfahrens er¬ weist. Die Vorrichtung zur Ausübung der beiden Verfahren geht aus dem Patentanspruch 7 hervor.
Besonders geeignete Verfahren und Vorrichtungen, sowohl zur freien Umwandlung von Wärme und Arbeit ineinander, als auch zum näherungsweisen Austauschen der Temperaturen zweier Wärmeträger, gehen aus den weiteren Patentansprüchen hervor.
Die durch die Erfindung möglichen freien Energieumwandlungen beseitigen die Nachteile, welche mit den bisher betriebenen Energieumwandlungen in Kauf genommen werden. Insbesondere wird sich die Verbrennung von Kohlewasserstoffen und Kern¬ brennstoffen nach einer Uebergangsphase erübrigen und die in diesen Verbrennungen erzeugten Schadstoffe fallen danach nicht weiter an.
In der nachfolgenden Beschreibung wird die Erfindung be¬ schrieben und erläutert. Hierzu werden einerseits die erfindungsgemässen Verfahren qualitativ diskutiert und andrerseits wird der praktische Ablauf dieser Verfahren an¬ hand von schematischen Zeichnungen verschiedener erfindungs- gemässer Vorrichtungen zu deren Ausübung im einzelnen erläu¬ tert. Auch der Aufbau- und die Funktion der einzelnen ge¬ zeigten Typen von erfindungsgemässen Vorrichtungen wird be¬ schrieben und erklärt, wobei diese jedoch bloss als mögliche Beispiele verstanden werden mögen.
Es zeigt:
Figur 1: Ein Schema des Grundprinzipes des Temperatur- Austauschverfahrens;
Figur 2: Ein Schema eines Verfahrens zum nähe¬ rungsweisen Austauschen der Temperaturen zweier Wärmeträger;
Figur 3 Einen Wärme-Stapelspeicher aus einem Git¬ terstapel;
Figur 4: Einen gewickelten Wärme-Stapelspeicher in per¬ spektivischer Ansicht in einem Teilschnitt während des Wickeins;
Figur 5 Einen gewickelten Wärme-Stapelspeicher in einer Frontalansicht; Figur 6 Ein Temperaturdiagramm der Temperaturen T„ ei- nes Fluids und Tg eines Wärme-Stapelspeichers zu einem bestimmten Zeitpunkt, wenn der kalte Wärme-Stapelspeicher von einem heissen Fluid durchströmt wird;
Figur 7: Ein Temperaturdiagramm der Temperaturen T-r ei- nes Fluids und Tg eines Wärme-Stapelspeichers zu einem bestimmten Zeitpunkt, wenn der heisse
Wärme-Stapelspeicher von einem kalten Fluid durchströmt wird;
Figur 8 Einen Temperaturaustauscher aus einer Reihe von spiralförmig gerollten Rohren in einem Querschnit ;
Figur 9 Einen Temperaturaustauscher aus einer Reihe von spiralförmig gerollten Rohren in einer Seitenansicht in einem Teilschnitt;
Figur 10 Eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Potenti¬ als zur Umwandlung von Wärme in Arbeit aus ei¬ nem Gefäss mit beweglichem Wärme-Stapel¬ speicher, das auf der oberen Temperatur mit einer Umgebung kommuniziert; Figur 11: Ein pV-Diagramm mit dem Kreisprozess in der
Vorrichtung nach Figur 10;
Figur 12: Eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Potenti¬ als zur Umwandlung von Wärme in Arbeit, deren Gefäss-System einen stationären Wärme-Stapel¬ speicher und einen beweglichen Verdränger ent¬ hält und auf der oberen Temperatur mit der Umgebung kommunziert;
Figur 13: Eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wärme in ein Druckpotential eines Fluids, deren Gefäss- System einen stationären Wärme-Stapelspeicher und einen beweglichen Verdränger enthält und auf der unteren Temperatur mit der Umgebung kommunziert;
Figur 14: Eine periodisch arbeitende Vorrichtung zur Um¬ wandlung von Wärme in Arbeit, die als Perpe¬ tuum mobile 2. Art. wirkt;
Figur 15: Zwei TS-Diagramme mit der gegenüberstellenden
Darstellung der Kreissprozesse in der Vorrich¬ tung nach Figur 14;
Figur 16: Eine kontinuierlich arbeitende Anlage mit zwei in einem Kreislauf zusammengeschalteten Vor¬ richtungen mit beweglichen Wärme-Stapelspei- ehern zur Umwandlung von Wärme in Arbeit, die als Perpetuum mobile 2. Art. wirkt;
Figur 17 Zwei TS-Diagramme zur gegenüberstellenden Dar¬ stellung des linksläufigen Kreisprozesses im Kreislauf der Anlage nach Figur 16 und der beiden rechtsläufigen Kreisprozesse in den Vorrichtungen dieser Anlage;
Figur 18 Eine kontinuierlich arbeitende Anlage mit ei¬ ner Vorrichtung mit stationärem und einer Vor¬ richtung mit beweglichem Wärme-Stapelspeicher, welche in einem Kreislauf mit zwei Schlaufen zusammengeschaltet sind, zur Umwandlung von Wärme in Arbeit, wobei die Anlage als Perpe¬ tuum mobile 2. Art. wirkt;
Figur 19 Zwei TS-Diagramme zur gegenüberstellenden Dar¬ stellung der Zustandsänderungen in den beiden Schlaufen und des linksläufigen Kreisprozesses des Kreislaufes der Anlage nach Figur 18;
Figur 20 Eine kontinuierlich arbeitende Anlage mit Vor¬ richtungen für einen kontinuierlichen Tempera¬ turaustausch, die in einem Kreislauf zusammen¬ geschaltet sind, zur Umwandlung von Wärme in Arbeit, welche Anlage als Perpetuum mobile 2. Art. wirkt; Figur 21: Ein TS-Diagra m zur Darstellung des Kreispro¬ zesses im Kreislauf der Anlage 20, welcher eine Achterschlaufe beschreibt.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur freien Umwandlung von Wärme und Arbeit ineinander führt das aus, was Julius Robert Mayer im Jahre 1842 so festhielt:
"Wo Bewegung entsteht, Wärme vergeht, wo Bewegung verschwindet, Wärme sich findet,..."
Aendert man die Temperatur eines Körper periodisch, so rea¬ giert er darauf mit einer dem Tempeaturverlauf entsprechenden Volumenänderύng. Setzt man dieser Volumenänderung einen Wi¬ derstand entgegen, so leistet der Körper am Widerstand Ar¬ beit, die der Differenz zwischen der zugeführten und der abgeführten Wärme entspricht. Der Körper erfährt dabei einen rechtsläufigen Kreisprozess. Führt man dem Körper Arbeit zu, so wird der Kreisprozess linksläufig und es muss der Arbeit entsprechend mehr Wärme abgeführt werden als zugeführt wird. Es muss also die Temperatur eines Körpers durch Wärmezufuhr und Wärmeabfuhr periodisch zwischen einer oberen Temperatur T und einer unteren Temperatur T geändert werden, wobei dem Körper eine gegenüber seiner Isobaren Volumenänderung phasen¬ verschobene Volumenänderung aufgezwungen wird. So einfach, wie das Verfahren zu verstehen ist, so schwierig oder gar unmöglich mag es erscheinen, es auszuführen. Das er- findungsgemässe Verfahren zum näherungsweisen Austauschen der Temperaturen zweier Körper durch Wärmeübertragung erweist sich als das Mittel, mit dem das Kernproblem zu lösen ist.
Verfahren nach Figuren 1 und 2
Das Grundprinzip des erfindungsgemässen Verfahrens zum nähe¬ rungsweisen Austauschen der Temperaturen zweier Wärmeträger durch Wärmeübertragung wird nachfolgend erläutert. Dieses Grundprinzip ist in einer sehr vereinfachten Anordnung in Figur 1A) - 1E) dargestellt. Die Ausgangslage des betrachte¬ ten Systems zeigt Figur 1A) , nämlich den Körper A auf der hö¬ heren Temperatur T. und den Körper B auf der tieferen Tempe¬ ratur T2. Jeder dieser Körper A,B ist nun in zwei gleiche Teilkörper A.,,A2 beziehungsweise B.,B2 aufgeteilt, was in Figur 1B) gezeigt ist. Wenn der Körper A willkürlich angenom¬ mene acht Wärmeeinheiten mehr als der Körper B enthält, so haben seine beiden gleichen Teilkörper A.,,A2 je vier Wärme¬ einheiten mehr als die Teilkörper B1,B2. Diese Wärmeeinhei¬ ten, welche die Körper beziehungsweise Teilkörper jeweils enthalten, sind zum leichteren Verständnis als schraffierte Körperanteile angedeutet. Auf der linken Seite der Körper ist zusätzlich die Anzahl der von ihnen jeweils enthaltenen Wär¬ meeinheiten angegeben. Die Wärmeübertragung erfolgt nun in einem ersten Schritt ge äss Figur IC) , indem die Teilkörper A~ und B. in Wärmekontakt zueinander gebracht werden. Hier erfolgt ein Temperaturausgleich wie herkömmlich bekannt. Der Teilkörper A2 gibt dabei zwei Wärmeeinheiten an den Teilkör- per B- ab. In einem nächsten Schritt gemäss Figur ID) wird Wärmekontakt einerseits zwischen den Teilkörpern A1 und B-. sowie andrerseits zwischen A~ und B_ hergestellt. Der Teil¬ körper A1 gibt von seinen ursprünglichen vier Wärmeeinheiten eine an den Teilkörper-B- ab und der Teilkörper A? gibt eine Wärmeeinheit an den Teilkörper B2 ab. Beide Körper A,B sind jetzt durchschnittlich gleichwarm. Schliesslich wird im letz¬ ten Schritt gemäss Figur 1E) noch Wärmekontakt zwischen dem Teilkörper A- und dem Teilkörper B2 hergestellt. Der Teilkör¬ per A- gibt dabei von seinen drei Wärmeeinheiten, die er noch enthält, eine an den Teilkörper B2 ab, welcher erst eine Wär¬ meeinheit enthält. Man erkennt, dass der ursprünglich kältere Körper B nun im Durchschnitt wärmer als der Körper A ist. Er enthält jetzt nämlich fünf der acht Wärmeeinheiten, die der Körper A anfänglich enthielt, und welche die ursprüngliche Temperaturdifferenz ausmachten. Werden nun zwei reale Körper A und B möglichst fein in Teilkörper unterteilt, so lässt sich nahezu die gesamte Differenzwärme vom einen auf den an¬ deren übertragen, wie dies Figur 2 im Ansatz zeigt. Da nur die Differenzwärme von Interesse ist, wurde sie gleich Eins gesetzt. Die Wärmedifferenzwerte sind in die Kästchen, die die einzelnen Teilkörper beziehungsweise die diskreten Wärme¬ kapazitäten darstellen, für jeden Schritt nach erfolgtem Tem¬ peraturausgleich eingetragen. Aus dem Verlauf dieser Werte erkennt man, dass der wesentliche Teil des Wärmeübergangs sich auf einen überraschend kleinen Bereich der Wärmekapazi¬ täten-Reihe erstreckt. Die Verwandschaft dieses Verlaufs mit der Hyperbeltangens-Funktion ist offensichtlich. Die Unter- teilung in diskrete Wärmekapazitäten ist wichtig, muss jedoch nicht unbedingt durch diskrete Teilkörper geschaffen werden, sondern kann auch durch die Wahl der Körpermaterialien, deren konstruktiver Gestaltung und Beeinflussung erzielt werden.
Bisher wurde die Wärme nur in einer Richtung übertragen und es wurde ein maximaler Wärme-Gleichstrom erzeugt. Wird die Bewegungsrichtung der beiden Körper periodisch gewechselt, so wird ein Wärme-Wechselstrom zwischen den beiden Körpern indu¬ ziert und man erzielt einen periodischen Temperaturaustausch zwischen den beiden Körpern. Man muss also grundsätzlich zwei Wärmeträger über eine Strecke so in gegenseitigen Wärmekon¬ takt bringen, dass sie in ihrer allgemeinen Bewegung gegen¬ einander verschoben werden, wobei der Wärmewiderstand inner¬ halb der Wärmeträger in ihrer allgemeinen Bewegungsrichtung möglichst hoch gehalten werden muss, währenddem in Normalen¬ richtung zur allgmeinen Bewegung^richtung der Wärmewiderstand möglichst klein gehalten werden muss.
In bezug auf die Ausübung dieses Temperatur-Austauschverfah¬ rens ist zu unterscheiden zwischen Vorrichtungen für einen periodischen Temperaturaustausch zwischen zwei Körpern und einer Vorrichtung für einen kontinuierlich erfolgenden Tempe¬ raturaustausch zwischen zwei zueinander gleichförmig bewegten Körpern, in diesem Fall fluidischen Wärmeträgem. Im folgen¬ den werden zuerst einige Vorrichtungen zur Ausübung des periodischen Temperatur-Austauschverfahrens vorgestellt. Vorrichtung nach Figur 3
Die Figur 3 zeigt ein vorteilhaftes Beispiel einer solchen Vorrichtung, die im folgenden Wärme-Stapelspeicher genannt wird, in einer teilweisen Explosionsdarstellung. Der Wärme- Stapelspeicher besteht- aus einem Stapel von dünndrahtigen Kupfernetzen 301, die alle mit geringem Abstand zueinander wärmeisolierend voneinander angeordnet sind und von einem wärmeisolierenden Rohr 302 umschlossen werden. Dieses Rohr
302 kann zum Beispiel aus dichtend zusammengesteckten Ringen
303 aus einem wärmeisolierenden Material bestehen, zum Bei¬ spiel aus Korkringen 303, zwischen die jeweils ein Kupfernetz 301 eingelegt ist, wie das aus dem oberen Teil der Figur er¬ sichtlich ist, der in einer Explosionsdarstellung gezeigt ist. Das Fluid strömt in Stapelrichtung oder Rohrrichtung durch die Kupfernetze 301 hin und her.
Vorrichtung nach Figur 4 und 5
Die Figuren 4 und 5 zeigen ein weiteres Beispiel eines Wärme- Stapelspeichers, der aus einer Wicklung eines Drahtes hoher Wärmespeicherfähigkeit besteht. Die Wicklung weist eine Viel¬ zahl von Lagen und Windungen auf und ist derart hergestellt, dass sich die einzelnen Lagen und Windungen nirgends berüh¬ ren. Dies wird zum Beispiel erreicht, wenn eine erste Lage wie in Figur 4 gezeigt um ein Profil 401 mit x-förmigem Quer¬ schnitt und tiefer Wärmeleitfähigkeit gewickelt wird, wobei die einzelnen Windungen 402 mit einer solchen Steigung ge¬ wickelt werden, dass sie sich nicht berühren. Auf die Profil- Längsseiten 403 wird dann je ein Streifen 404 aufgesetzt, zum Beispiel aufgeklebt oder aufgesteckt, wonach die nächste Lage 405 in umgekehrter Aufwickel-Richtung gewickelt wird. Die aufgesetzten Streifen 404 sorgen dafür, dass sich die Wick¬ lungen der benachbarten Lagen nicht berühren. Entsprechend werden weitere Wicklungen angebracht. Ein fertiger solcher Wärme-Stapelspeicher ist in Figur 5 in einem Querschnitt ge¬ zeigt. Das Grundprofil 501 wurde mit mehreren Streifen 504 erweitert und der Wärme-Stapelspeicher weist schliesslich eine Vielzahl von Lagen 506 auf. Die ganze Drahtspule wird von einem wärmeisolierenden Vierkantrohr 507 umschlossen. Ein solcher Wärme-Stapelspeicher hat im Vergleich zu seinem Volu¬ men und Gewicht eine sehr hohe Wärmekapazität und ist trotz seiner industriell geeigneten Herstellung aus einem endlos gewickelten Draht in weitgehend diskret wirkende Wär¬ mekapazitäten aufgeteit, wenn er in Richtung der Wickelachse von einem Fluid durchströmt wird.
Jede einzelne Wärmekapazität speichert diskret eine Wärme bei einer Temperatur. Es ist also möglich, Temperaturinformatio¬ nen in einen solchen Wärme-Stapelspeicher hineinzuschreiben. Variiert man beim Eingeben die Temperatur, so wird jeder Wär¬ mekapazität eine eigene Temperatur zugeordnet, die rückwärts wieder aus dem Wärme-Stapelspeicher herauslesbar ist. Das ist beim herkömmlichem Wärme-Regenerator nicht möglich. Der Wärme-Stapelspeicher ermöglicht die Trennung zweier Tempera¬ turniveaus, indem er eine schiebende örtliche Grenze zwischen zwei verschiedenen Temperaturen innerhalb eines als zweiten Wärmeträger wirkenden Mediums bildet. Diese Grenze darf nie aus ihm hinauswandern, sonst wäre die gewünschte Trennung der Temperaturen nicht gewährleistet. Die Temperatur-Grenze im Innern eines solchen Wärme-Stapelspeichers wirkt selektiv, indem aussere Energie die Grenze frei passieren kann, während innere Energie daran aufgehalten wird. Wird zum Beispiel ein Fluidstrom vom Volumen V- auf der Temperatur - und auf dem Druck p durch den Wärme-Stapelspeicher über die Temperatur¬ grenze in seinem Innern hinaus gefördert, so bewirkt er jen¬ seits der Temperaturgrenze einen Fluidstrom vom Volumen V_ auf der Temperatur τ2 und dem gleichen Druck p. Es gilt
p * V1 = P * 2
Figure imgf000026_0001
Ist τ2 die tiefere Temperatur, so geht stets die aussere Ar¬ beit p * V„ über die Temperaturgrenze mit dem Fluidstrom mit.
Die Figuren 6 und 7 zeigen Wärmeübergänge von einem Fluid auf den von ihm durchströmten Wärme-Stapelspeicher und umgekehrt anhand von Temperaturkurven T„r, TÖ-, sowohl des durchströmenden
Fluids mit der Temperatur T.., wie auch des Wärme-Stapelspei- chers selbst mit der Temperatur T .
Diagramm nach Figur 6
Im speziellen zeigt Figur 6 diese in der Durchs römungsrich- tung ortsabhängigen Temperaturkurven in einer Momentaufnahme der Situation, wo heisses Fluid den anfänglich kalten Wärme- Stapelspeicher schon eine Weile durchströmt hat und weiter durchströmt. Die Pfeile deuten sowohl die Durchströmungsrieh- tung wie auch die Verschieberichtungen der Kurven an. Das Fluid strömt von links auf einer heissen Temperatur T- in den kalten Wärme-Stapelspeicher, der sich ursprünglich mit Aus¬ nahme der Wärmekapazitäten bei den kleinsten x-Koordinaten auf der Temperatur T2 - befunden hat. Sobald das hier heisse Fluid in den noch kalten Bereich des Wärme-Stapelspeichers einströmt, gibt es Wärme an dessen durchströmte Wärmekapazi¬ täten ab, bis es auf die gleiche Temperatur wie der Wärme- Stapelspeicher abgekühlt ist, die jener an der Stelle hat, wo das Fluid mittlerweile angelangt ist. Umgekehrt nimmt der Wärme-Stapelspeicher die ursprüngliche Temperatur - des Fluids an. In der Praxis stellt sich eine gegenseitige Ver¬ schiebung der Temperaturkurven ein, da der Wärmeübergang nicht unendlich schnell vonstatten geht, sondern Zeit erfor¬ dert. Je grösser die Temperaturdifferenz, umso mehr Wärme wird pro Zeit übertragen. Entsprechend ist der Wärmeübergang dort am grössten, wo die Temperaturkurven steil verlaufen. Doch auch im flachen Bereich der Temperaturkurven findet ein geringer Wärmeübergang ε r.tt. Der Betrieb des Wärme-Stapel¬ speichers wird so ausgelegt, dass die steilen Bereiche der Temperaturkurven, wo der Wärmeübergang am grössten ist, nur im Innern des Wärme-Stapelspeichers hin- und herwandern, also niemals aus diesem hinauswandern. Hingegen ist es in der Pra¬ xis unvermeidlich, dass die durch die beiden Temperaturkurven gebildeten Keile beidseits des Bereiches mit den steilen Tem¬ peraturkurven und die von den Flächen dieser Keile repräsen¬ tierten Wärmemengen durch den Wärme-Stapelspeicher wandern. Eine gewisse Wärmemenge sickert so mit jedem Zyklus durch den Wärme-Stapelspeicher hindurch, von der heissen zur kalten Seite hin. Dieser Wärmefluss bewirkt eine Dämpfung des Wärme¬ wechselstromes und muss kompensiert werden.
Diagramm nach Figur 7
Die Figur 7 zeigt die umgekehrte Situation, in der kaltes Fluid bereits eine kurze Weile von rechts in den heissen Wärme-Stapelspeicher eingeströmt ist und ihn weiter durch¬ strömt. Die Pfeile geben wiederum die Durchströmungsrichtung und die jeweilige Verschieberichtung des Wärmeübergangsberei¬ ches an. In den Bereichen, in denen die Temperaturen sowohl des Fluids wie auch des Wärme-Stapelspeichers nahe übereinan¬ der verlaufen, findet praktisch kein Wärmeübergang statt. Das kalte Fluid auf der Temperatur T2 strömt also in den heissen, sich auf der Temperatur T., befindlichen Wärme-Stapelspeicher und der Wärme-Uebergangsbereich wandert entsprechend mit, wo¬ bei die Temperaturkurven von Fluid und Wärme-Stapelspeicher wiederum etwas verschoben sind. Nachfolgend wird unter der Temperaturgrenze im Innern eines Wärme-Stapelspeichers stets der wesentliche Wärme-Uebergangsbereich mit den steilen Tem¬ peraturkurven wie oben beschrieben verstanden. Dieser Bereich erstreckt sich im realen Wärme-Stapelspeicher in Stör- mungsrichtung über einen gewissen Bereich.
Vorrichtung nach Figur 8 und 9
Jetzt wird eine Vorrichtung für einen kontinuierlich erfol¬ genden Temperaturaustausch zwischen zwei zueinander gleich¬ förmig bewegten Wärmeträgern vorgestellt, die im folgenden Temperatur-Austauscher genannt wird. Die Figuren 8 und 9 zei¬ gen in einer Front- und teilweise geschnittenen Seitenansicht einen solchen Temperatur-Austauscher, der aus einer Reihe von spiralförmig gerollten oder gebogenen Rohren 801 hoher Wärmeleitfähigkeit besteht. Die einzelnen Spiralen 901 sind deckungsgleich mit jeweils geringem Abstand aneinanderge¬ reiht. Die inneren und äusseren Mündungen der Spiralrohre 801 sind je durch ein axial verlaufendes Rohr 803,804;903,904 verbunden, wodurch die Rohrspiralen 901 zusammengehalten wer¬ den. Sie können zusätzlich von Distanzelementen zusam¬ mengehalten werden. Dieser Temperaturaustauscher dient zum kontinuierlichen Temperaturaustausch zwischen zwei fluidi- schen Wärme rägem. Das erste, heisse Fluid durchströmt zum Beispiel die Spiralen 801;901 von aussen nach innen. Das zweite, kalte Fluid umströmt dann die einzelnen Spiralen 901 der Spiralenreihe von einem zentralen, zum Beispiel perfo¬ rierten Rohr 805;905 aus in radialer Richtung in ein umman¬ telndes perforiertes Rohr 806; 06. Die einzelnen Windungen der Spiralen bilden für das vorbeiströmende Fluid die diskre¬ ten Wärmekapazitäten. Bei diesem Temperaturaustauscher befin¬ det sich der steile Temperaturübergang etwa bei halbem Radius der Sprialen. Es ist wichtig, dass das zweite Fluid pro Zeit dieselbe Wärmemenge abführen kann wie das erste zubringt. An¬ dernfalls würde sich die Temperatur-Uebergangskurve langsam verschieben und es würde eine Temperaturmischung erfolgen, die ja gerade vermieden werden soll. Das beschriebene Verfahren und die Vorrichtungen zum nähe¬ rungsweisen Austauschen der Temperaturen zweier Wärmeträger können in weiteren Verfahren verwendet werden, die schliess¬ lich die freie Umwandlung von Wärme und Arbeit ineinander er¬ möglichen. Als erster Schritt für den Vollzug der Energieumwandlung von Wärme in Arbeit wird unter Reduktion der Gesamtentropie ein Energieumwandlungspotential geschaf¬ fen, das schliesslich in einem zweiten Schritt die Umwandlung von Wärme in Arbeit ermöglicht. Während viele Vorrichtungen und Verfahren für den zweiten Schritt bekannt sind und in ei¬ ner grossen Anzahl von verschiedenen hydraulischen und pneu¬ matischen Arbeitsmaschinen und -ger ten zur Anwendung kommen, gehören die Verfahren und Vorrichtungen für den ersten Um¬ wandlungsschritt zum wesentlichen Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Die Erzeugung eines Energieumwandlungspotentials bedarf der eingehenden Beschreibung.
Vorrichtung nach Figur 10
Die Figur 10 zeigt eine einfachste Vorrichtung zur Ausübung eines erfindungsgemässen Verfahrens für diesen ersten Umwand- lungsschritt, das sich des beschriebenen Verfahrens zum nähe¬ rungsweisen Austauschen der Temperaturen zweier Wärmeträger bedient. Diese Vorrichtung wandelt noch nicht Wärme in nutz¬ bare Arbeit um, schafft jedoch als Vorbereitung für den Voll¬ zug einer solchen Energie-Umwandlung ein Energieumwandlungs- potential, indem eine örtliche Aenderung der Energiedichte innerhalb eines Systems erzeugt wird. Die Vorrichtung nach Figur 10 besteht aus einem druckfesten Gefäss 1001 aus wenig- stens innen wärmeisolierendem Material, das ein Fluid ent¬ hält. Der Fluidanteil im oberen Gefässbereich 1003 befindet sich auf der höheren Temperatur T in der Gasphase, der Fluidanteil im unteren Gefässbereich 1004 auf der tieferen Temperatur T mit grossem Vorteil, jedoch nicht zwingend, in der Flüssigphase. Es sind nicht eingezeichnete Mittel vorhan¬ den, um die beiden Temperaturen T , T zu halten. Im Innern des Gefässes 1001 ist ein Wärme-Stapelspeicher 1005 angeord¬ net. Dieser Wärme-Stapelspeicher 1005 ist auf und ab beweg¬ bar, zum Beispiel mittels eines mechanischen oder eines be¬ rührungslos arbeitenden elektromagnetischen Antriebes. Das Gefäss 1001 ist auf seiner Oberseite mit einer Umgebung verbunden, die zum Beispiel aus einem geschlossenen Kreislauf bestehen kann. Die Leitung 1008 mit dem Einwegventil 1006 führt in einen Druckbehälter, in dem der Druck 1 herrsche und der Rücklauf, in welchem der Druck p2 < p- herrsche, er¬ folge über die Leitung 1009 mit dem Einwegventil 1007. Durch Auf- und Abbewegen des Wärme-Stapelspeichers 1005 wird ein Fluidwechselstrom an der Temperaturgrenze in seinem Innern erzeugt, der einen Wärmewechselstrom zwischen dem Wärme-Sta¬ pelspeicher 1005 und dem Fluid induziert. Ein Teil dieses Fluidwechselstroms kommuniziert mit der Umgebung, während der andere Teil den folgenden Kreisprozess durchläuft und dabei die Verdichtungsarbeit am ersten Teil des Fluidwechselstroms leistet: a) isochore Wärmezufuhr (mittels Abwärtsbewegen des Wärme- Stapelspeichers 1005 aus seiner obersten Lage, also von der warmen Seite zu der kalten hin, wobei beide Einweg¬ ventile 1006,1007 geschlossen sind), b) isobare Wärmezufuhr (mittels weiterem Abwärtsbewegen des Wärme-Stapelspeichers 1005 bis zu seiner untersten Lage bei Förderung von Fluid durch das Einwegventil 1006 beim Druck p1 aus dem Gefäss 1001 in die Umgebung) , c) isochore Wärmeabfuhr (mittels Aufwärtsbewegen des Wärme- Stapelspeichers 1005 von der kalten zur warmen Seite hin, wobei beide Einwegventile 1006,1007 geschlossen sind) , d) isobare Wärmeabfuhr mittels weiterem Aufwärtsbewegen des Wärme-Stapelspeichers 1005 bis zu seiner obersten Lage bei Einströmen von Fluid durch das Einwegventil 1007 auf dem Druck p2 in das Gefäss 1001, anschliessend wieder Verfahrensschritt a) usw.
Diagramm nach Figur 11
Dieser Kreisprozess ist durch ein Rechteck ABCD im pV-Dia- gramm charakterisiert, welches im Uhrzeigersinn durchlaufen wird, wie das im pV-Diagramm gemäss Figur 11 dargestellt ist. Dieser Kreisprozess erzeugt den Gaswechselstrom, der mittels den zwei Ventilen 1007,1006 gleichgerichtet in die Umgebung wirkt. Der über das Ventil 1007 in die Vorrichtung einflies¬ sende Gasstrom beim Druck p2 und der Temperatur T erfährt zuerst eine isobare Wärmeabfuhr beim Durchströmen des Wärme- Stapelspeichers auf die Seite der tieferen Temperatur T , dann wird er isotherm auf den Druck p1 verdichtet, worauf er den Wärme-Stapelspeicher in umgekehrter Richtung durchströmt und dabei die zuvor eingelagerte Wärme wieder isobar auf¬ nimmt, um schliesslich über das Ventil 1006 wieder in die Um¬ gebung zu gelangen. Die Verdichtungsarbeit wird vom zuvor be¬ schriebenen Kreisprozess geleistet. Die Wärme, welche dieser Arbeit entspricht, muss neben den übrigen Wärmeverlusten auf der oberen Temperatur T dem Fluid zugeführt werden, und die¬ selbe Wärme muss bei der unteren Temperatur T diesem Fluid entzogen werden. Man erkennt: Je tiefer die untere Temperatur T liegt, umso geringer ist die Verdichtungsarbeit und der Wärmedurchsatz, bis sie schliesslich annähernd verschwindet, wenn das Gas oder Fluid mit der unteren Temperatur den flüs¬ sigen, inkompressiblen Aggregatzustand einnimmt. Die Vorrich¬ tung arbeitet als isotherme Gaspumpe.
Vorrichtung nach Figur 12
In Figur 12 ist eine alternative Vorrichtung mit einem stationären Wärme-Stapelspeicher dargestellt, die ebenfalls als isotherme Gaspumpe wirkt. Sie unterscheidet sich von der Vorrichtung nach Figur 10 nur durch die Mittel zur Erzeugung des Fluidwechselstromes und schliesst wie hier gezeigt ein Gefäss-System 1201 aus zwei möglichst wärmeisolierenden Zylindern 1206,1207 ein, deren einer 1206 den Wärme-Stapel¬ speicher 1205 und deren anderer 1207 einen als Verdränger 1208 wirkenden Kolben 1208 enthält. Der Verdränger 1208 sowie die Temperaturgrenze im Wärme-Stapelspeicher 1205 teilen das Gefäss-System 1201 in zwei variable Gefässbereiche 1202,1203 mit dem darin befindlichen Fluid auf den beiden Temperaturen
To und Tu auf. Der Fluidanteil im Gefässbereich 1202 befindet sich auf der höheren Temperatur T in Gasphase, der Fluidan¬ teil im Gefässbereich 1203 auf der tieferen Temperatur T wiederum vorteilhaft, jedoch nicht zwingend, in der Flüssig¬ phase. Es sind nicht eingezeichnete Mittel vorhanden, um die beiden Temperaturen T , T zu halten. Der Verdränger-Kolben 1208 besteht aus einem gasdichten Material möglichst geringer Wärmeleitfähigkeit und kleiner Wärmekapazität. Er ist im In¬ nern des Zylinders 1207 möglichst reibungsarm und dichtend gelagert und kann mittels der Stange 1209 auf und ab bewegt werden. Auf diese Weise ist eine Relativbewegung zwischen dem Fluid und dem Wärme-Stapelspeicher 1205 erzeugbar. Die beiden Zylinder 1206,1207 sind oben und unten über Leitungen 1210,1211 verbunden. Die obere Leitung 1210 kommuniziert über die Leitung 1212 und das Einwegventil 1214 mit einem Druckbe¬ hälter, in dem der Druck p. herrsche, und über die Leitung 1213 und das Einwegventil 1215 mit dem Rücklauf, in welchem der Druck p2 < p.. herrsche.
Zum Betrieb des Verfahrens beziehungsweise der Vorrichtung wird der Verdränger-Kolben 1208 auf und ab bewegt, womit sich die Gefässbereiche 1202,1203 örtlich hin und her verschieben und infolge dessen in bezug auf den stationären Wärme-Stapel¬ speicher 1205 Fluidwechselströme und entsprechende Wärmewech- selströme induziert werden. Die thermodynamischen Vorgänge sind identisch mit jenen, die zu der Figur 10 bereits be¬ schrieben wurden. Bei den zwei eben beschriebenen Verfahren kommuniziert der Fluidwechselstrom auf der oberen Temperatur T mit der Umge¬ bung, indem von der Umgebung ein Fluid aufgenommen wird, das Fluid isotherm auf höheren Druck gebracht und schliesslich vom Druckbehälter aus durch eine Entspannung wieder an die Umgebung abgegeben wird. Bei dieser Entspannung erfolgt dann eine eigentliche Umwandlung der Energieform. Durch die iso¬ therme Verdichtung vor der Entspannung ist die örtliche Ener¬ giedichte des aus dem Prozessraum geförderten Fluids gegen¬ über dem von ihm aufgenommenen Fluid bei gleichbleibender Temperatur erhöht worden.
Die für das Bewegen des Wärme-Stapelspeichers beziehungsweise des Verdrängerkolbens erforderliche Energie ist gering, da sich ja der Druck im Prozessraum allseitig gleich ausbreitet. Wird zum Beispiel der obere Teil 1216 der Stange 1209 wegge¬ lassen, so ist zusammen mit den wechselnden Drucken innerhalb der Vorrichtung an einem Kurbeltrieb ein resultierendes Dreh¬ moment erzeugbar, sodass die Vorrichtung selbstlaufend ausge¬ führt werden kann.
Vorrichtung nach Figur 13
Figur 13 zeigt eine Vorrichtung, bei welcher das Fluid im Ge¬ gensatz zu der in Figuren 10 und 12 gezeigten Vorrichtungen auf der unteren Temperatur T der Wärme-Stapelspeicher 1311 mit der Umgebung kommuniziert. Ansonsten weist die Vorrich¬ tung ebenfalls ein Gefäss-System 1301 mit den gleichen Ele- menten auf wie jene nach Figur 12. Oben sind die Gefässe über die Leitung 1310, unten über die Leitung 1302 miteinander verbunden. Von der Verbindungsleitung 1302 führt eine weitere Leitung 1303 über ein Einwegventil 1304 in einen Hydro-Spei- cher. Andrerseits führt auch eine Leitung 1306 über ein Ein¬ wegventil 1307 von einem offenen, das heisst mit der Umgebung verbundenen Hydrobehalter in die Leitung 1302 hinein. Das im Gefäss-System enthaltene Fluid wird auf zwei solchen Tempera¬ turen T , T gehalten, dass es sich im oberen Gefässbereich 1308 auf der höheren Temperatur T in Gasphase und im unteren Gefässbereich 1309 auf der tieferen Temperatur T in Flüssig¬ phase befindet.
Im Verlauf des Betriebes erfährt der gesamte, über die Tempe¬ raturgrenze fliessende Fluidwechselstrom den Kreisprozess wie zu Figur 10 beschrieben. Bei der oberen Temperatur muss die¬ sem Kreisprozess die der Pumparbeit entspechende Wärme zuge¬ führt werden.
Die bisher beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen sind noch nicht gänzlich selbstlaufend. Es bedarf zusätzlicher Mittel, um die Verfahren und Vorrichtungen in Betrieb zu hal¬ ten. So müssen die Temperaturen im unteren und T oberen Gefässbereich gehalten werden und die Fluidwechselströme be¬ ziehungsweise Wärmewechselströme müssen mittels Erzeugung ei¬ ner Relativbewegung zwischen Fluid und Wärme-Stapelspeicher induziert werden. Die Erzeugung dieser Relativbewegung wie auch das Aufrechterhalten der geforderten Wärmesenke auf der unteren Temperatur T kann mit Mitteln geschaffen werden, die einen geringen Teil des erzeugten fluidischen Druckpotentials entsprechend nutzen. Die Umwandlung des fluidischen Druckpo¬ tentials in mechanische Arbeit kann in bekannter Weise mit¬ tels einer Expansionsmaschine erfolgen. Es kann sich dabei zum Beispiel um eine Expansionsturbine für die Entspannung eines komprimierten Gases oder um einen Hydrostaten für die Umwandlung eines hydraulischen Druckpotentials handeln. Im Falle der Expansionsturbine tritt gleichzeitig eine Abkühlung des Gases ein, das dann als Kühlmittel zur Aufrechterhaltung der geforderten Wärmesenke verwendet werden kann. Wird von einem fluidischen Druckpotential ausgegangen, so kann zum Beispiel über die Umwandlung in mechanische Arbeit eine Wär¬ mepumpe angetrieben werden, um die zwei Temperaturen zu hal¬ ten.
Damit aber sind die für den Betrieb der Verfahren und Vor¬ richtungen erforderlichen Bedingungen geschaffen, sodass eine solche Vorrichtung und das mit ihr betriebene Verfahren selbstlaufend ist.
Vorrichtung nach Figur 14
Die Figur 14 zeigt eine Vorrichtung, welche eine zusätzliche Vorrichtung zur Umwandlung des fluidischen Druckpotentials in mechanische Energie einschliesst, von der dann ein Anteil di¬ rekt zur Aufrechterhaltung des Betriebes des Verfahrens ver¬ wendet wird, während der Rest frei nutzbar ist. Diese Vor¬ richtung ist ein Perpetuum mobile 2. Art, dem soviel Wärme zufHessen muss, wie es nutzbare mechanische Arbeit abgibt. Die Vorrichtung besteht aus zwei zylindrischen Gefässen 1401,1402, in denen je ein Kolben 1403,1404 dichtend gelagert ist. Die beiden Kolben 1403,1404 sind zueinander in bezug auf die von ihnen bewirkte Raumänderung phasenverschoben gekop¬ pelt, womit die erfinungsgemässe Phasenverschiebung der Volu¬ menänderungen der Fluida erzwungen wird. Vorteilhaft bewirkt die Koppelung, dass der Kolben 1404 im zweiten Zylinder 1402 um eine Phasenverschiebung von etwa 90° dem Kolben 1403 im ersten Zylinder 1401 vorausläuft. Im Innern des zylinder- förmigen Gefässes 1401 ist über dem oberen Totpunkt des Kol¬ bens 1403 ein Wärme-Stapelspeicher 1405 angeordnet, welcher der Haupt-Wärme-Stapelspeicher 1405 dieser Vorrichtung dar¬ stellt. Ueber diesem Haupt-Wärme-Stapelspeicher 1405 befindet sich ein kapazitiver Wärmespeicher 1406, der aus einem Mate¬ rial mit einer hohen Wärmespeicherfähigkeit besteht, zum Bei¬ spiel aus einem dünngewalzten Kupfer-Wellblech, das gleich einer Rolle Wellkarton im Gefäss längs der Zylinderachse an¬ geordnet ist und deshalb in Richtung der Längsachse des Ge¬ fässes durchströmbar ist. Dieser Wärmespeicher 1406 kann aber zum Beispiel auch durch feine Kupferwolle gegeben sein, wel¬ che diesen Raum ausfüllt. Wichtig ist, dass dieser Wärmespei¬ cher 1406 rasch Wärme aufnehmen, speichern und wieder abgeben kann. Oberhalb des Wärmespeichers 1406 befindet sich ein zweiter Wärme-Stapelspeicher 1407. Wiederum oberhalb dieses zweiten Wärme-Stapelspeichers 1407 enthält der Zylinder 1401 eine als Faltenbalg 1408 ausgebildete Trennmembrane 1408 aus dichtendem, wärmeleitfähigem Material. Diese Trennmembran 1408 unterteilt das Innere des Zylinders 1401 dichtend in zwei variable Bereiche. Der an diesem oberen Zylinderende verbleibende Raum 1409 ist so bemessen, dass der darin ange¬ ordnete Faltenbalg 1408 ausziehbar und wieder zusammenfaltbar ist, wobei das Verdrängungsvolumen des Faltenbalges 1408 zwi¬ schen dem zusammengefalteten und dem auseinandergefalteten Zustand wenigstens dem Hubvolumen des Kolbens 1404 im zweiten Zylinder 1402 entspricht. Vom oberen Ende des ersten Zylin¬ ders 1401 aus führt eine Druckleitung 1410 in den zweiten Zy¬ linder 1402. Die Druckleitung 1410 kann unter anderem zur Wärmeaufnahme dienen und hierfür durch entsprechende Heizmit¬ tel 1411 oder Medien geführt sein, sodass das darin flies¬ sende Fluid die Wärme in den ersten Zylinder 1401 transpor¬ tieren kann. Die Wärmeaufnahme kann aber auch direkt im Be¬ reich oberhalb des Faltenbalges 1408 erfolgen.
Das zylindrische Gefäss 1401 wird von den beiden Wärme-Sta¬ pelspeichern 1405,1407 grundsätzlich in drei Bereiche mit darin unterschiedlichen Temperaturen unterteilt. Zwischen den beiden Wärme-Stapelspeichern 1405,1407 herrscht die höchste Temperatur T . Unterhalb der Temperaturgrenze im unteren Wär¬ me-Stapelspeicher herrscht die tiefere Temperatur T und oberhalb der Temperaturgrenze im oberen Wärmestapelspeicher herrscht eine weitere tiefe Temperatur T , . Es gilt T > T > T , . Es kann aber auch sein, dass gilt T = T ,. Stets muss jedoch gelten T > T ,T , . Der Zylinder 1401 enthält unter¬ halb der Trennmembran 1408 grundsätzlich zwei Fluida unter¬ schiedlicher Stoffe, von denen eines
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auf der unteren Te - peratur T des Wärme-Stapelspeichers 1405 stets in Flüssig¬ phase ist und sich auf dessen oberer Temperatur T in der Gasphase befindet. In seiner Gasphase nimmt es im wesent¬ lichen den Raum bis zur Temperaturgrenze im oberen Wärmesta¬ pelspeicher 1407 ein, obwohl es diese Grenze im Betrieb kurz¬ zeitig überströmen kann. Das zweite Fluid F. befindet sich stets in der Gasphase und nimmt den gesamten freibleibenden Raum im ersten Zylinder 1401 bis hin zur Innenseite des Fal¬ tenbalges 1408 ein.
Zum Beispiel eignet sich als erstes Fluid F= Wasser und als zweites Fluid F. Stickstoff. Geeignet wäre auch die Kombina¬ tion von Alkohol als Fα. und Stickstoff als F S.D, flüssigem Koh- lendioxid als Fa und Stickstoff als F. oder flüssigem Stick-
Stoff als F und Helium als F.. Oberhalb des Faltenbalges ist der Zylinder 1401 mit einer temperaturbeständigen Hydraulik¬ flüssigkeit F„rl gefüllt. Auch die Druckleitung 1410 und der
Zylinder 1402 sind vollständig mit dieser Hydraulikflüs¬ sigkeit F„ gefüllt.
Es handelt sich bei dieser Vorrichtung um eine selbstlaufende Maschine, die periodisch Wärme reversibel in mechanische En¬ ergie umwandelt. Die Nutzung der mechanischen Energie bewirkt schliesslich wieder die Umwandlung zurück in Wärme, welche an die Umgebung abgegeben wird. Von eben dieser Umgebung kann aber auch die Vorrichtung die zum Betrieb erforderliche Wärme beziehen, da bei der Entspannung des Gases im Innern des Fal¬ tenbalges 1408 von aussen her Wärme zufHessen muss. Bedin- gung hierfür ist, dass die Temperatur T , im Innern des Fal¬ tenbalges 1408 auf einem tieferen Niveau als der Umge¬ bungstemperatur sein muss. In diesem Fall wird dem System aus der Umgebung über den Wärmeüberträger 1411 über die Hydrau¬ likflüssigkeit FH Wärme zugeführt. Die Effizienz einer sol¬ chen Maschine wird in erster Linie von der Grosse der Tempe¬ raturdifferenz zwischen der unteren, in der Umgebung herr¬ schenden Temperatur T bzw. T , und der oberen Temperatur T , die im Innern des Zylinders 1401 in der Wärmekapazität 1406 herrscht, bestimmt. Verluste ergeben sich ausschliesslich in¬ folge der zu verwendenden Baumaterialen und Bestandteile, die naturgemäss nicht ideal sind. So wird ein geringer Anteil der Wärme durch die Zylinderwände des Zylinders 1401 nach unten abfliessen und auch durch den Wärme-Stapelspeicher 1405 wird aufgrund seiner nichtidealen Charakteristik ein kleiner Teil der Wärme nach unten auf seine kalte Seite gelangen. Die un¬ tere Temperatur Tu beim flüssigen Fluidanteil Fa= kann annä- hernd der Umgebungstemperatur entsprechen, sodass sie durch Kühlung durch die Umgebung aufrechterhalten wird. Im Innern des Faltenbalges 1408 andrerseits kann die dortige Temperatur T , niemals über jene des Faltenbalges und damit der Hydraulikflüssigkeit steigen, da mit jedem Zyklus eine Ent¬ spannung erfolgt, die eine Abkühlung nach sich zieht. Die En¬ ergie, die mit dem Kolben 1403 bei dessen Kompressionshub eingebracht wird, wird als Wärme in den Wärmespeicher 1406 eingelagert und steigert so dessen Temperatur. Diagramme nach Figur 15
Der mit dem Kolben 1403 an der Temperaturgrenze im Haupt- Wärme-Stapelspeicher 1405 erzeugte Fluidwechselstrom des auf der unteren Temperatur T flüssigen Fluids F= erfährt einen Kreisprozess, welcher näherungsweise im TS-Diagramm nach Figur 15A dargestellt ist und nacheinander annähernd folgende Schritte einschliesst:
a) Isochore Wärmezufuhr, b) Isotherme Expansion, c) Isochore Wärmeabfuhr, d) Isotherme Kompression (Erhöhung des Druckes in der Flüs¬ sigphase) .
Das andere Fluid F. , welches stets in der Gasphase ist, er¬ fährt annähernd folgenden Kreisprozess, der näherungsweise im TS-Diagramm nach Figur 15B dargestellt ist:
a) Isotherme Kompression, indem die Verdichtungswärme in den Wärme-Speicher 1406 eingelagert wird, b) Isobare Wärmeabfuhr, indem Wärme in den Wärme-Stapel¬ speicher 1407 eingelagert wird, c) Isotherme Expansion unter Wärmeaufnahme durch den Fal¬ tenbalg 1408, und d) Isobare Wärmezufuhr aus dem Wärme-Stapelspeicher 1407. Anlage nach Figur 16
Figur 16 zeigt eine Vorrichtung, welche die verschiedenen er¬ findungsgemässen Verfahren und Vorrichtungen zu einer Anlage kombiniert, welche kontinuierlich arbeitet und ein Perpetuum mobile 2. Art ist. Diese Anlage führt das Fluid in einem äus- seren Kreislauf durch zwei verschiedene erfindungsgemässe Vorrichtungen 1601 und 1602, die den Druck des Fluids stufen¬ weise erhöhen und dann durch eine Maschine 1616 zur Umwand¬ lung von fluidischer in mechanische Energie, zum Beispiel durch eine bekannte Expansionsmaschine. Der Fluidwechselstrom und damit ein Wärmewechselstrom wird in den hier gezeigten Vorrichtungen 1601,1602 dadurch induziert, dass die Wärme- Stapelspeicher 1605,1607 selbst in jeder erfindungsgemässen Vorrichtung 1601,1602 relativ zum Fluid bewegt werden, zum Beispiel mittels Kurbeltrieben.
Der aussere Kreisprozess, den das Fluid beim Durchströmen des Kreislaufes erfährt, ist linksläufig und schafft neben der Umwandlung von Wärme in Arbeit die Temperaturspanne zur Auf¬ rechterhaltung des Betriebs der beiden Vorrichtungen zur Er¬ zeugung des Energie-Umwandlungspotentials. Die inneren Kreis¬ prozesse, welche die Fluidwechselströme im Innern der einzel¬ nen Vorrichtungen 1601,1602 erfahren, sind rechtsläufig, und die Flächen, die von ihnen im pV- oder TS-Diagramm einge¬ schlossen werden, sind ein Mass für die von ihnen je Zyklus geleistete Verdichtungsarbeit am äusseren Kreisprozess. Die erste Vorrichtung 1601 läuft zwischen der oberen Tempera¬ tur T -. , welche vorteilhaft der Umgebungstemperatur ent¬ spricht, und der unteren Temperatur T .., und das in ihr ent¬ haltene Fluid kommuniziert auf der unteren Temperatur T mit dem ausseren Kreislauf-. Der Druck in der ersten Vorrichtung
1601 variiert zwischen dem oberen Druck pol Λ und dem unteren
Druck Pul- In einer zweiten Vorrichtung 1602, die zwischen der oberen Temperatur T 2 und der unteren Temperatur T 2 > oder = T - läuft, kommuniziert das Fluid auf der oberen Tem¬ peratur To2„ mit diesem Kreislauf. Das Fluid befindet sich im ganzen geschlossenen Kreislauf in der Gasphase, mit Ausnahme vom Raum unterhalb der Temperaturgrenze im Wärme-Stapelspei¬ cher 1607 der Vorrichtung 1602. Dort allein befindet es sich in der Flüssigphase. Der Druck im Innern dieser Vorrichtung
1602 varriert zwischen dem oberen Druck p _ und dem unteren Druck pu2, wobei pu2 = pQl gilt.
Die erste Vorrichtung 1601 nimmt von der Umgebung Wärme auf, um ihre obere Temperatur T - zu halten. Hierzu ist der obere Abschluss des Gefässes 1608 von möglichst grosser Oberfläche, sodass beispielsweise von unten her gesehen eine Vielzahl von Kappen 1621 gebildet werden. In diese Kappen 1621 können Na¬ deln 1622 einfahren, die auf der obersten Wärmekapazität des Wärme-Stapelspeichers 1605 sitzen, sodass im oberen Totpunkt des Wärme-Stapelspeichers 1605 nur ein minimales Totvolumen verbleibt und ein grosser Wärmeübergang pro Zeit von der Um¬ gebung auf das zwischenliegende Gas möglich ist. Unten im Zy¬ linder 1608 führt eine Druckleitung 1609 über ein Einwegven- til 1610 aus dem Gefäss 1608 hinaus. Diese Druckleitung 1609 führt weiter durch Heizmittel 1611 für eine weitere Wärmeauf¬ nahme aus der Umgebung und schliesslich über ein Einwegventil 1612 in die Seite der oberen Temperatur T „ des Gefässes 1615 der zweiten Vorrichtung 1602. Eine Druckleitung 1613 führt über ein Einwegventil 1614 aus der oberen Seite des Gefässes 1615, das heisst auf der Seite seiner oberen Temperatur T 2 hinaus und in eine Expansionsmaschine 1616. Von jenseits der Expansionsmaschine 1616 führt eine Druckleitung 1617 zurück zur zweiten Vorrichtung 1602 und dort als Kühlschlange 1618 um den Bereich tiefer Temperatur T 2 des Gefässes 1615 dieser Vorrichtung 1602. Schliesslich führt sie vom Ende dieser Kühlschlange 1618 als Druckleitung 1619 weiter über ein Ein¬ wegventil 1620 in die untere Seite des Gefässes 1608 der er¬ sten Vorrichtung 1601, das heisst in die Seite dessen unterer Temperatur T .. Wenn sich die Wärme-Stapelspeicher 1605,1607 in diesen Vorrichtungen 1601,1602 auf und ab bewegen, so er¬ fährt das im beschriebenen Kreislauf eingeschlossene Fluid einen ausseren, linksläufigen Kreisprozess, während die Fluidwechselströme in den Vorrichtungen 1601,1602 rechtsläu¬ fige Kreisprozesse erfahren.
Diagramme nach Figur 17
Nachfolgend werden diese Kreisprozesse anhand von zwei einan¬ der gegenübergestellten dimensionslosen TS-Diagrammen quali¬ tativ beschrieben:
Zuerst wird der linksläufige Kreisprozess beschrieben, der im linken Diagramm nach Figur 17A dargestellt ist. Im Punkt 1 ist das Fluid infolge der adiabaten Entspannung auf dem tief¬ sten Druck p 1 und auf der tiefsten Temperatur T... Es wird danach zum Halten der unteren Temperatur T _ der zweiten Vor¬ richtung 1602 durch die Kühlschlange 1618 am unteren Teil dieser Vorrichtung geführt und nimmt dort isobar Wärme auf, wonach es die Temperatur T 1 erreicht. Im TS-Diagramm ent¬ spricht dies dem Weg von Punkt 1 nach Punkt 2. Auf dieser Temperatur gelangt es unten in die Vorrichtung 1601 und wird darin adiabat verdichtet, wobei die Verdichtungsarbeit in Form von Wärme auf der oberen Temperatur T - der Umgebung entzogen wird. Im TS-Diagramm ist diese adiabate Verdichtung durch den Weg von Punkt 2 nach Punkt 3 beschrieben. Durch das Einströmen des Fluids auf der unteren Temperatur T - wird die Wärmesenke in der Vorrichtung 1601 gehalten. Das Fluid strömt vom Punkt 3 aus durch die Heizmittel 1611, die sich auf der höchsten Temperatur T der ganzen Anlage befinden. Es nimmt dort isobar Wärme auf, was dem Weg vom Punkt 3 zu Punkt 4 im TS-Diagramm entspricht. In der zweiten Vorrichtung 1602 wird es anschliessend isotherm verdichtet, was durch die Horizon¬ tale von Punkt 4 zu Punkt 5 im TS-Diagramm beschrieben ist. Danach wird es in der Expansionsmaschine 1616 adiabat ent¬ spannt und gelangt durch die Senkrechte im TS-Diagramm be¬ schrieben wieder zum Zustand in Punkt 1. Der Zustand des flüssigen Anteils des Fluids ist durch den Punkt 6 darge¬ stellt.
Es werden jetzt die rechtsläufigen Kreisprozesse betrachtet, welche die Fluidwechselstrome in den einzelnen Vorrichtungen 1601 und 1602 erfahren. Diese Kreisprozesse sind im rechten Diagramm nach Figur 17B dargestellt. Der Kreisprozess des Fluidwechselstromes in der zweiten Vorrichtung 1602 läuft auf höheren Drucken ab. Er beginnt bei der Temperatur gemäss Punkt 6 im Hnksläufigen TS-Diagramm. Das Fluid erfährt zu¬ erst eine isochore Wärmezufuhr vom Wärme-Stapelspeicher 1607 und sein Zustand ändert sich längs der Isochoren vom Punkt 6 zum Punkt 7. Danach kann Fluid über das Einwegventil 1614 ausströmen und die weitere Wärmezufuhr erfolgt isobar von Punkt 7 zu Punkt 8. Daran anschliessend folgt eine isochore Wärmeabfuhr vom Fluid an den Wärmestapel-Speicher 1607, die von der Isochoren vom Punkt 8 bis Punkt 9 beschrieben ist. Der Druck sinkt dabei, bis das Einwegventil 1612 öffnet und die weitere Wärmeabfuhr vom Punkt 9 zurück zum Punkt 6 isobar erfolgt.
Der Kreisprozess des Fluidwechselstromes in der ersten Vor¬ richtung 1601 läuft auf niedrigeren Drucken ab. Er beginnt bei der tieferen Temperatur T ., noch unterhalb der unteren Temperatur T _ der zweiten Vorrichtung 1602 im Punkt 10. Es folgt gleich wie in der zweiten Vorrichtung zuerst eine isochore Wärmezufuhr von Punkt 10 nach Punkt 11, bis das Ein¬ wegventil 1610 öffnet und Fluid ausströmen kann. Die weitere Wärmezufuhr erfolgt dann isobar längs der Isobaren von Punkt
11 zu Punkt 12. Daran anschliessend kommt eine isochore Wär¬ meabfuhr vom Fluid an den Wärme-Stapelspeicher 1605 von Punkt
12 zu Punkt 13, bis das Einwegventil 1620 öffnet und die wei- tere Wärmeabfuhr isobar erfolgt, von Punkt 13 zurück zu Punkt 10.
Nachdem die Zustandsänderungen der Fluidwechselstrome be¬ trachtet wurden, können auch die Zustandsänderungen der Fluidanteile, die auf der jeweils oberen oder unteren Tempe¬ ratur verbleiben, betrachtet werden. Im wesentlichen ändern diese Fluidanteile ihren Druck annähernd längs von Iso¬ thermen. In der zweiten Vorrichtung 1602 bewegt sich das gas¬ förmige Fluid im Bereich der oberen Temperatur T 2 isotherm zwischen den Punkten 4 und 5 im Diagramm links und das flüs¬ sige Fluid im Bereich der unteren Temperatur T 2 bleibt auf dem Punkt 6, da eine Druckänderung im Punkt 6 nicht darstell¬ bar ist.
Man beachte, dass die Vorrichtungen 1601 und 1602 selbstlau¬ fend sind. Dies ist der Fall, weil nur auf ihrer Unterseite eine Kolbenstange in ihr Inneres ragt und gleichzeitig die Innendrucke während des Aufwärtsfahrens der Wärmestapelspei¬ cher niedriger sind als die Drucke beim Abwärtsfahren. Daraus resultiert ein Drehmoment an den Kurbelwellen.
Anlage nach Figur 18
Figur 18 zeigt eine weitere Anlage zum Umwandeln von Wärme in Arbeit. In einem ausseren Kreislauf, welcher zwei Schlaufen umfasst, ist eine erste Vorrichtung 1801 integriert, die auf der oberen Temperatur T - mit dem Kreislauf kommuniziert. Die Vorrichtung 1801 weist einen von der unteren Seite in den Zy- linder 1823 der Vorrichtung wirkenden Kolben 1803 auf und enthält ein auf der unteren Temperatur T χ flüssiges Fluid, zum Beispiel Stickstoff. Am oberen Zylinderende befindet sich ein stationärer Wärme-Stapelspeicher 1805 und vom oberen Zy¬ linderende führt eine Druckleitung 1804 über das Einwegventil 1806 in die Vorrichtung hinein und eine Druckleitung 1809 über das Einwegventil 1808 aus der Vorrichtung 1801 hinaus. Diese Vorrichtung 1801 wirkt im wesentlichen als Pumpe, indem sie das Fluid durch den Wärme-Stapelspeicher 1805 pumpt, wel¬ ches dort Wärme aufnimmt und in der Gasphase auf hohem Druck die Vorrichtung 1801 verlässt. Mit der Druckleitung 1809 ist ein Blasenspeicher 1810 verbunden, um Druckschwankungen in der Druckleitung 1809 auszugleichen. Das komprimierte Gas wird als nächstes in der Expansionsmaschine 1811 entspannt. Die von der Expansionsmaschine 1811 dabei geleistete Arbeit wird zu einem Teil für den Betrieb der Vorrichtung 1801 ver¬ wendet. Das entspannte Gas nimmt Wärme auf der unteren Tempe¬ ratur T 2 einer zweiten Vorrichtung 1802 auf, um diese Tempe¬ ratur T 2 dort zu halten, und fliesst dann durch einen Tempe¬ raturaustauscher 1812, wo es wieder Wärme aufnimmt, dann un¬ ter nochmaHger Wärmeaufnahme durch eine Heizquelle 1813 und schliesslich über die Druckleitung 1804 und das Einwegventil 1806 wieder zurück in die erste Vorrichtung 1801. Auch die Druckleitung 1804 ist mit einem Blasenspeicher 1814 verbun¬ den, um Druckschwankungen auszugleichen. Der beschriebene Kreislauf bildet die erste Schlaufe. Eine zweite Schlaufe zweigt vor der Expansionsmaschine 1811 ab und führt über die Leitung 1815 und das Einwegventil 1816 in den Bereich oberer Temperatur T _ der zweiten Vorrichtung 1802. In dieser Vor¬ richtung 1802 ist ein beweglicher Wärme-Stapelspeicher 1807 angeordnet, der zum Beispiel mittels eines Kurbeltriebes auf und ab bewegbar ist. Das ankommende Gas wird in der Vorrich¬ tung 1802 verdichtet und über das Einwegventil 1817 in die Druckleitung 1818 gefördert. Diese Druckleitung 1818 ist zum Ausgleich von Druckschwankungen ebenfalls mit einem Blasen¬ speicher 1819 verbunden. Sie führt das Gas als gegenströmen¬ des Fluid durch den Temperaturaustauscher 1812, wo es Wärme abgibt. Von dort fliesst das Fluid unter weiterer Wärmeabgabe durch einen weiteren Temperaturaustauscher 1820 und dann durch eine Drossel 1821. Sein nun verflüssigter Anteil fliesst durch die Leitung 1822 auf der Seite der unteren Tem¬ peratur T m über eine weitere Drossel 1824 in die erste Vorrichtung 1801 zurück. Der noch gasförmige Anteil wird als entgegenströmendes Fluid im Temperaturaustauscher 1820 ver¬ wendet, wo dieses Wärme aufnimmt und dann über die Leitung 1825 vor der Expansionsmaschine zurück in die Druckleitung 1808 strömt.
Diagramme nach Figur 19
In den TS-Diagrammen nach Figur 19A und 19B sind die Zustandsänderungen des Fluides in den beiden Schlaufen quali¬ tativ dargestellt. Die Zustände sind numeriert und korrespon¬ dieren mit den entspechenden Zahlen in den Schlaufen des Kreislaufes. Das Fluid in der ersten Schlaufe erfährt einen linksläufigen Kreisprozess, der in Figur 19A dargestellt ist. Im Punkt 1 beim Herauspumpen aus der Vorrichtung 1801 befindet es sich auf der höchsten Temperatur T - und dem höchsten Druck. Nach dem adiabaten Entspannen in der Expansionsmaschine 1811 hat es den Zustand im Punkt 2 erreicht. Die Zustandsänderung ist im linken Diagramm als Senkrechte vom Punkt 1 zum Punkt 2 dargestellt. Dann folgen mehrere isobare Wärmeaufnahmen, näm¬ lich zuerst von der Vorrichtung 1802, sodass der Zustand längs der Isobaren auf den Punkt 3 wandert, dann im Tempera¬ turaustauscher 1812, indem der Zustand sich weiter längs der Isobaren zum Punkt 4 hin ändert, und schliesslich von den Heizmittel 1813, welche den Zustand des Fluids längs der Iso¬ baren zum Punkt 5 auf der oberen Temperatur T - bringen. Bei dieser letzten Wärmeaufnahme durch die Heizmittel 1813 nimmt das Fluid jene Wärme auf, die von der Expansionsmaschine 1811 in nutzbare Arbeit umgewandelt wurde. Zwischen dem Zustand gemäss Punkt 5 und dem Ausgangspunkt 1 erfährt das Fluid eine isotherme Kompression in der ersten Vorrichtung 1801, wonach sein ursprünglicher Zustand wieder erreicht ist. Die zweite Schlaufe dient dazu, die Aufrechterhaltung der Flüssigphase des Fluids im Bereich der unteren Temperatur T - der ersten Vorrichtung 1801 sicherzustellen. Das in der zweiten Schlaufe strömende Fluid erfährt die im Diagramm nach Figur 19B darge¬ stellten Zustandsänderungen. Vor der Expansionsmaschine 1811 wird ein Teil des Fluids im Zustand 1 auf der Temperatur TQl entnommen und in der zweiten Vorrichtung 1802 verdichtet, ohne dass diese dafür Wärme aufnimmt. Die Wärme, welche auf der unteren Temperatur T _ zwischen den Punkten 2 bis 3 von der zweiten Vorrichtung 1802 abgeführt wird, wird oben nicht ergänzt und deswegen fällt die Temperatur bei der Verdich¬ tung. Das Fluid ändert bei dieser Kompression seinen Zustand längs einer Polytropen» die zwischen einer Isobaren und Iso¬ thermen von Punkt 1 zu Punkt 6 verläuft. Anschliessend wird es durch den Temperaturaustauscher 1812 geführt, wo es isobar Wärme abgibt, entsprechend der Zustandsänderung vom Punkt 6 zu Punkt 7 im Diagramm. Beim Durchströmen des zweiten Tempe¬ raturaustauschers 1820 wird erneut isobar Wärme abgeführt, sodass schliesslich auf der Isobaren der Punkt 8 erreicht wird. Von dort aus folgt eine Drosselung bei konstanter Ent¬ halpie, da man keine Arbeit abnimmt. Gedrosselt wird dabei die Drucksteigerung, die in der zweiten Vorrichtung 1802 er¬ folgt ist. Die entsprechende Zustandsänderung im Diagramm verläuft vom Punkt 8 aus schräg abwärts in das Nass-Dampf-Ge¬ biet hinein, wo das Fluid in Gas- und Flüssigphase koexisi- tert. Der flüssige Anteil im Zustand gemäss Punkt 10 strömt durch eine weitere Drossel 1824 in den Bereich unterer Tempe¬ ratur T 1 in die erste Vorrichtung 1801 ein. Durch den damit erzeugten leichten Gleichstrom durch die erste Vorrichtung 1801 hindurch wird diese unten gekühlt und es wird sicherge¬ stellt, dass das Fluid auf der unteren Temperatur T und so¬ mit in der Flüssigphase bleibt. Der gasförmgie Anteil im Zu¬ stand gemäss Punkt 9 wird durch den Temperaturaustauscher 1820 zurückgeführt, wo eine isobare Wärmeaufnahme bis hinauf zur Temperatur gemäss dem Zustand in Punkt 1 erfolgt, womit die zweite Schlaufe geschlossen ist. Anlage nach Figur 20
In Figur 20 ist eine kontinuierlich laufende Anlage gezeigt, in der allein das kontinuierlich laufende Verfahren zum Aus¬ tauschen der Temperaturen zweier gleichförmig zueinander strömenden Wärmeträger verwendet wird. Die Anlage besteht aus einem Kreislauf, in welchem das Fluid vom Zustand höchsten Druckes durch eine Expansionsmaschine 2001 geht und darin entspannt wird. Anschliessend nimmt es in einem ersten Tempe¬ raturaustauscher 2002 Wärme auf, wird dann durch eine Heiz¬ quelle 2003 geführt, wo es weiter Wärme aufnimmt, und geht dann durch einen Verdichter 2004, in welchem es adiabat kom¬ primiert wird. Danach strömt es durch einen zweiten Tempe¬ raturaustauscher 2005, in dem es isobar Wärme abgibt ur.d ver¬ flüssigt wird. Es strömt dann weiter als entgegenströmendes Fluid durch den bereits beschriebenen ersten Temperaturaus¬ tauscher 2002, in dem es weiter Wärme abgibt und seine Tempe¬ ratur in der Flüssigphase weiter sinkt. Das flüssige Fluid wird dann mittels der Pumpe 2006 verdichtet und gefördert und strömt als entgegenströmendes Fluid durch den ebenfalls schon beschriebenen Temperaturtauscher 2005, in welchem es isobar Wärme aufnimmt, verdampft und wieder in den ursprünglichen Zustand gc-langt.
Diagramme nach Figur 21
Die einzelnen Zustandsänderungen, welche das Fluid im be¬ schriebenen Kreislauf erfährt, werden im TF-Diagramm durch eine Achterschlaufe charakterisiert. Sie sinα im TS-Diagramm gemäss Figur 21 im einzelnen qualitativ eingezeichnet und nachfolgend beschrieben, wobei die einzelnen angegebenen Punkte mit den entsprechenden, im Kreislauf der Anlage nach Figur 20 eingezeichneten Punkten korrespondieren:
1 - 2: Adiabate Entspannung und Arbeitsleistung;
2 - 3: Isobare Erwärmung, wobei jene Wärme vom entgegen¬ strömenden Fluid abgeführt wird, die von der warmen Seite her auf die kalte Seite abfliesst, sowie die Reibungs- und Verdichtungswärme, die auf der kalten Seite anfällt. Mit dieser Wärmeaufnahme wird zugleich das Tiefhalten der Temperatur des flüssi¬ gen, entgegenströmenden Fluids gewährleistet;
3 - 4: Isobare Erwärmung, wobei jene Wärme aufgenommen wird, die in Arbeit umgewandelt wird, also durch die adiabate Entspannung von 1 bis 2 netto erzeugt wird;
4 - 5: Adiabate Kompression unter Aufnahme eines Teils der bei der adiabaten Entspannung von 1 bis 2 gewon¬ nenen Arbeit. Diese Kompression ist erforderlich, damit die Temperatur im Zustand 5 über die im Zu¬ stand 1 und die im Zustand 2 unter die im Zustand 7 zu liegen kommt;
5 - 6: Isobare Abkühlung in die Flüssigphase durch Wär¬ meabfuhr und Uebertragung dieser Wärme auf das ent¬ gegenströmende Fluid, um jenes vom Zustand 7 auf den Zustand 1 zu bringen; 6 - : Fördern und Verdichten des flüssigen Fluids auf den höheren Druck;
7 - 1: Isobare Erwärmung durch Zufuhr der Wärme, welche dem entgegenströmenden Fluid entnommen wird, um dieses vom Zustand 5 auf den Zustand 6 zu bringan.
Die Expansionsmaschine 2001 gibt die Brutto-Leistung Pß ab. Von dieser Leistung wird ein Anteil Pp als Pumpenleistung und ein weiterer Anteil P„ für den Antrieb des Verdichters ge¬ braucht. Die restliche Leistung P kann frei genutzt werden.
Es gilt p = P + p + p
B P rV Man beachte, dass von der Pumparbeit W_ im TS-Diagramm nur der Anteil dargestellt werden kann, welcher zur Aenderung der
Dichte des flüssigen Fluids erforderlich ist, während dem die reine Förderarbeit nicht darstellbar ist.

Claims

Patentansprüche
1. ) Verfahren zur freien Umwandlung von Wärme und Arbeit in¬ einander, bei dem die Temperatur eines Körpers durch Wärmezufuhr und Wärmeabfuhr periodisch zwischen einer oberen Temperatur T und einer unteren Temperatur T ge¬ ändert wird, wobei dem Körper eine gegenüber seiner iso- baren Volumenänderung phasenverschobene Volumenänderung aufgezwungen wird.
2. ) Verfahren zum näherungsweisen Austauschen der Temperatu¬ ren zweier Wärmeträger durch Wärmeübertragung, bei dem die zwei Wärmeträger über eine Strecke in gegenseitigen Wärmekontakt gebracht werden, indem sie in ihrer allge¬ meinen Bewegung gegeneinander verschoben werden, wobei der Wärmewiderstand innerhalb der Wärmeträger in ihrer allgemeinen Bewegungsrichtung möglichst hoch gehalten wird, währenddem in Normalenrichtung zur allgmeinen Bewegungsrichtung der Wärmewiderstand möglichst klein gehalten wird.
3.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper einen oder beide Wärmeträger in einem Verfah¬ ren nach Anspruch 2 bildet.
4. ) Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeich¬ net, dass ein oder mehrere in Serie geschaltete Verfah¬ ren nach Anspruch 3 mit einem zu diesem oder zu diesen entgegengesetzt laufenden Verfahren nach Anspruch 1 oder 3 so zu einem gegenläufigen Kreisprozess-System zusammengeschaltet sind, dass die technisch und prinzi¬ piell bedingten Unzulänglichkeiten kompensiert werden.
5. ) Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Wärmeträger, der aus einem in einem Rohr (302) angeordneten Stapel von in Stapelrich¬ tung durchströmbaren, gleichen Wärmekapazitäten (301) besteht, die gegeneinander wärmeisoliert sind und als möglichst diskrete Wärmekapazitäten für einen zweiten, fluidischen Wärmeträger zu wirken bestimmt sind.
6.) Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspuch 2, gekennzeichnet durch eine in einem isolierten Rohr (507) angeordnete Drahtspule, deren Windungen (402) und Lagen (506) so gewickelt sind, dass sich die einzelnen Windun¬ gen (402,405) und Lagen (506) nicht berühren, wobei die Drahtspule als erster Wärmeträger zu wirken bestimmt ist, welcher in der Rohr- oder Spulenachse von einem zweiten Wärmeträger durchströmbar ist.
7. ) Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Reihe deckungsgleich mit Ab¬ stand aneinander angereihter, in gleicher Richtung spi- ralförmig gerollter Rohre (801;901) , deren innere und aussere Enden je mit einem in Reihenrichtung verlaufen¬ den Rohr (803,804;903,904) verbunden sind, sowie einem bezüglich der Spiralen zentralen Rohr (805;905) mit durchlässiger Rohrwand und einem die Spiralen-Reihe um- mandelnden, doppelwandigen Rohr (806;906) mit durchläs¬ siger innerer Rohrwand.
8. ) Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 3 oder 4, gekennzeichnet durch ein Gefäss-Sy¬ stem (1001;1201;1301;1401,1402;1601,1602;1801,1802) , das einen Kreislauf wenigstens eines Körpers einschliesst, welcher Keislauf Mittel (1007,1006;1214,1215;1304,1307; 1403, 1404,-1610,1620,1612,1614;1806,1808,1809,1816,1817) zur Aufzwingung einer gezielten Volumenänderung des oder der Körper einschliesst, und Mitteln zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 2 innerhalb des oder der als Wärme räger wirkenden Körper.
9.) Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Aufzwingung einer gezielten Vo¬ lumenänderung Ventile (1007,1006;1214,1215;1304, 1307; 1610,1620, 1612, 1614,-1806,1808,1816,1817;2001,2006,2004) im Kreislauf einschliessen, welche die Volumenänderung steuern, oder dass die Mittel Raumänderungsmaschinen (1403,1404;1803) einschliessen.
10.) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Ausübung des Verfah¬ rens nach Anspruch 2 innerhalb des oder der als Wärme¬ träger wirkenden Körper ein oder mehrere Vorrichtungen (1005;1205,-1311;1405, 1407;1605,1607,-1805,1807, 1812,1820; 2002,2005) nach Anspruch 5 bis 7 einschliessen, und dass die Vorrichtungen nach Anspruch 5 oder 6 mechanisch, pneumatisch oder elektromagnetisch relativ zum Körper bewegt werden, oder dass Mittel vorhanden sind, um den Körper relativ zu den stationär angeordneten Vor¬ richtungen nach Ansprüchen 5 oder 6 zu bewegen.
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