DE19608300A1 - Cyclic heat engine - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine mit einem Kreisprozeß arbei tende Wärmekraftmaschine, enthaltendThe invention relates to a work with a cycle thermal engine, containing
- (a) einen abgeschlossenen Raum, in dem ein Arbeitsmedium eingeschlossen ist,(a) an enclosed space in which a working medium is included
- (b) Wärmeaustauschmittel, mittels denen dem Arbeitsmedium Wärme zu- und abgeführt wird.(b) heat exchange means by means of which the working medium Heat is supplied and removed.
Solche Wärmekraftmaschinen setzen zugeführte Wärmeenergie in Arbeit um. Der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine ist definiert als das Verhältnis von geleisteter Arbeit A zu zugeführter Wärmeenergie Qzu Such heat engines convert heat energy into work. The efficiency of a heat engine is defined as the ratio of work done A to supplied heat energy Q to
(1) η = A/Qzu.(1) η = A / Q to .
Bei einem idealisierten Kreisprozeß ohne Verluste, beispielsweise nach Carnot, läßt sich zeigen, daßIn an idealized cycle without losses, for example according to Carnot, it can be shown that
(2) η = A/Qzu = (Qzu-Qab)/Qzu,(2) η = A / Q zu = (Q zu -Q ab ) / Q zu ,
wobei Qab die abgeführte Wärmeenergie ist.where Q ab is the dissipated thermal energy.
Solche Wärmekraftmaschinen sind beispielsweise als sogenannte Heißluftmaschinen allgemein bekannt und in vielen Lehrbücher der Thermodynamik beschrieben, beispiels weise "Thermodynamik" von E. Schmidt, 9. Auflage, Springer- Verlag 1962, S. 132-138. Zwei Kolbenmaschinen (oder Turbo maschinen) sind über ein Leitungssystem mit zwei Wärme tauschern miteinander verbunden. In den Kolbenmaschinen, das Leitungssystem und die Wärmetauscher befindet sich Luft als Arbeitsmedium. Je nach Aufbau der Heißluftmaschine kann das Arbeitsmedium verschiedene Prozesse durchlaufen. Beispielsweise kann die Kompression und Expansion adiaba tisch (Joule-Prozeß) oder isotherm (Ericson-Prozeß) verlaufen. In der Praxis sind solche idealisierte Prozesse jedoch nur annähernd durchführbar.Such heat engines are, for example, as So-called hot air machines generally known and in many textbooks of thermodynamics described, for example wise "Thermodynamics" by E. Schmidt, 9th edition, Springer- Verlag 1962, pp. 132-138. Two piston engines (or turbo machines) are via a pipe system with two heat exchangers connected. In the piston machines, the pipe system and the heat exchanger are air as a working medium. Depending on the structure of the hot air machine, the working medium go through various processes. For example, compression and expansion can be adiaba table (Joule process) or isothermal (Ericson process) run. In practice, these are idealized processes however only approximately feasible.
In mehreren verschiedenen Druckschriften sind Wärmekraft
maschinen offenbart, durch welche der Wirkungsgrad der
Wärmekraftmaschine verbessert werden soll:
Die DE 41 01 500 A1 offenbart eine mit einem Kreisprozeß
arbeitende Wärmekraftmaschine mit einer Zylinderkammer, die
durch einen Kolben begrenzt ist. In der Zylinderkammer ist
eine Menge einer verdampfbaren Flüssigkeit als Arbeits
medium bei einer Ausgangstemperatur vorgesehen. In einer
ersten Arbeitsphase vergrößert sich das Volumen der
Zylinderkammer von einem inneren Totpunkt durch Auswärts
bewegung des Kolbens bis zu einem äußeren Totpunkt. Im
unteren Totpunkt wird die Bewegung des Kolbens für eine
vorgegebene Zeitspanne angehalten. Dadurch wird eine
Kondensation des unterkühlten Dampfes der Flüssigkeit
eingeleitet. Dies führt zu einem plötzlichen Druckabfall.
In einer zweiten Arbeitsphase wird dann der Kolben zum
inneren Totpunkt bewegt. Das abgekühlte Kondensat wird
mittels eines Wärmetauschers auf die Ausgangstemperatur
erwärmt. Bei der DE 41 01 500 A1 besteht das Arbeitsmedium
nur aus einer Komponente.Heat engines are disclosed in several different publications, by means of which the efficiency of the heat engine is to be improved:
DE 41 01 500 A1 discloses a heat engine working with a cyclic process with a cylinder chamber which is delimited by a piston. In the cylinder chamber, an amount of an evaporable liquid is provided as a working medium at an initial temperature. In a first work phase, the volume of the cylinder chamber increases from an inner dead center by moving the piston outward to an outer dead center. At bottom dead center, the movement of the piston is stopped for a predetermined period of time. As a result, condensation of the supercooled vapor of the liquid is initiated. This leads to a sudden drop in pressure. In a second working phase, the piston is then moved to the inner dead center. The cooled condensate is heated to the initial temperature using a heat exchanger. In DE 41 01 500 A1, the working medium consists of only one component.
Durch die DE 42 44 016 C2 ist eine Wärmekraftmaschine der eingangs genannten Art bekannt, bei welcher das Arbeits medium ein Zweistoffgemisch aus Stickstoff und Butan ist. Die Wärmekraftmaschine besteht aus einem auf einer Tempera tur von 104,5°C gehaltenen Kessel und einem mit dem Kessel und einem im Kessel angeordneten Wärmetauscher verbundenen Zylinder, welcher von einem Kolben abgeschlossen ist. Das Verhältnis der Konzentrationen von Stickstoff und Butan sowie die Ausgangstemperatur (Kesseltemperatur) werden dabei so gewählt, daß das Zweistoffgemisch bei der Ausgangstemperatur im Bereich der retrograden Kondensation und die Ausgangstemperatur zwischen den kritischen Tempera turen von Stickstoff und Butan liegt. Durch Verwendung eines solchen Zweistoffgemisches soll der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine verbessert werden. Dies wird dadurch erreicht, daß die Expansion des Volumens des Zwei stoffgemisches im Bereich der retrograden Kondensation so schnell erfolgt, daß die Kondensatbildung verzögert wird. Im äußeren Totpunkt des Kolbens geht das System aus diesem instabilen Zustand in den Gleichgewichtszustand über. Durch ein dabei auftretendes, besonderes Verhalten des Zweistoff gemisches (Abknickung der Isobaren an der Phasengrenze), ist dies ist mit einem Druckabfall verbunden. Dies erhöht die geleistete Arbeit bei gegebener Wärmezufuhr und verbessert also den Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine.DE 42 44 016 C2 is a heat engine known type, in which the work medium is a two-component mixture of nitrogen and butane. The heat engine consists of one on a tempera of 104.5 ° C and one with the boiler and connected to a heat exchanger arranged in the boiler Cylinder, which is closed by a piston. The Ratio of concentrations of nitrogen and butane as well as the initial temperature (boiler temperature) chosen so that the two-component mixture at Initial temperature in the area of retrograde condensation and the exit temperature between the critical tempera nitrogen and butane. By using The efficiency of such a two-substance mixture is said to be a heat engine can be improved. this will in that the expansion of the volume of the two mixture of substances in the area of retrograde condensation it quickly happens that the formation of condensate is delayed. At the outer dead center of the piston, the system emerges from it unstable state into equilibrium. By a particular behavior of the two-component that occurs mixture (kinking of the isobars at the phase boundary), this is associated with a drop in pressure. This increases the work done with a given supply of heat and thus improves the efficiency of the heat engine.
Die Eigenschaften von Mehrstoffgemischen sind beispiels weise beschrieben in einem Buch von Stephan und Mayinger "Thermodynamik Grundlagen und technische Anwendungen", 11. Auflage, Band 2, Springer-Verlag, insbesondere S. 59-67.The properties of multi-component mixtures are exemplary Wisely described in a book by Stephan and Mayinger "Thermodynamics basics and technical applications", 11. Edition, volume 2, Springer-Verlag, especially p. 59-67.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine der eingangs genannten Art zu verbessern.The invention has for its object the efficiency a heat engine of the type mentioned improve.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daßAccording to the invention this object is achieved in that
- (c) das Arbeitsmedium ein Mehrstoffgemisch ist und(c) the working medium is a multi-substance mixture and
- (d) das Mischungsverhältnis des Mehrstoffgemisches, der Arbeitsdruckbereich und der Arbeitstemperaturbereich der Wärmekraftmaschine so gewählt wird, daß, bezogen auf das Verhalten eines Einstoff-Arbeitsmedium, die Temperatur des Mehrstoffgemisches in einem bestimmten Druckbereich bei abnehmendem Druck weniger sinkt und bei steigendem Druck weniger steigt.(d) the mixing ratio of the multi-component mixture which Working pressure range and the working temperature range the heat engine is chosen so that, related on the behavior of a single-substance working medium, the Temperature of the multi-component mixture in a certain Pressure area decreases and decreases with decreasing pressure less pressure increases with increasing pressure.
Ein solches Verhalten des Arbeitsmediums wirkt sich günstig auf den Wirkungsgrad aus. Die abzuführende Wärmemenge Qab wird dann nämlich kleiner und damit der Wirkungsgrad η größer (vgl. Gl. (2)).Such behavior of the working medium has a favorable effect on the efficiency. The amount of heat Q ab to be dissipated then becomes smaller and thus the efficiency η greater (cf. Eq. (2)).
Diese Verhältnisse werden noch günstiger, wenn das Mischungsverhältnis des Mehrstoffgemisches, der Arbeits druckbereich und der Arbeitstemperaturbereich der Wärme kraftmaschine so gewählt wird, daß die Temperatur des Mehr stoffgemisches bei einer Druckänderung annähernd konstant bleibt.These conditions will be even better if that Mixing ratio of the multi-component mixture, the work pressure range and the working temperature range of heat Engine is chosen so that the temperature of the More substance mixture almost constant with a pressure change remains.
Noch günstigere Verhältnisse für den Wirkungsgrad erhält man, wenn das Mischungsverhältnis des Mehrstoffgemisches, der Arbeitsdruckbereich und der Arbeitstemperaturbereich der Wärmekraftmaschine so gewählt wird, daß die Temperatur des Mehrstoffgemisches mit steigendem Druck sinkt und mit abnehmendem Druck steigt.Get even more favorable conditions for efficiency one if the mixing ratio of the multi-component mixture, the working pressure range and the working temperature range the heat engine is chosen so that the temperature of the multi-substance mixture decreases with increasing pressure and with decreasing pressure increases.
Überraschenderweise hat es sich gezeigt, daß es Stoff gemische mit solchen Verhalten gibt. Solche Verhalten zeigt beispielsweise ein Mehrstoffgemisch aus Stickstoff und Butan in einem Mischungsverhältnis von ungefähr 10% Stick stoff und 90% Butan. Ein Mehrstoffgemisch aus Stickstoff und Kohlendioxyd in einem Mischungsverhältnis von ungefähr 10% Stickstoff und 90% Kohlendioxyd zeigt ebenfalls solches Verhalten, wie auch ein Mehrstoffgemisch aus Wasserstoff und Kohlendioxyd in einem solchen Mischungsverhältnis. Surprisingly, it has been shown that it is fabric mix with such behavior there. Such behavior shows for example a multi-component mixture of nitrogen and Butane in a mixing ratio of approximately 10% stick fabric and 90% butane. A multi-component mixture of nitrogen and carbon dioxide in a mixing ratio of approximately 10% nitrogen and 90% carbon dioxide also shows this Behavior, like a multi-component mixture of hydrogen and carbon dioxide in such a mixing ratio.
Es hat sich experimentell weiterhin gezeigt, daß diese Verhalten durch Zusatz von Wasser in geringen Mengen begünstigt werden.It has also been shown experimentally that this Behavior by adding water in small quantities be favored.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.An embodiment of the invention is below Reference to the accompanying drawings explained in more detail.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung und zeigt eine Wärmekraftmaschine der hier vorliegenden Art. Fig. 1 is a schematic representation and shows a heat engine of the present type.
Fig. 2 zeigt in einem p-V-Diagramm die Zustandsänderungen des Arbeitsmediums bei einem Kreisprozeß in einer Wärmekraftmaschine. Fig. 2 shows in a pV diagram the changes in state of the working medium in a cycle in a heat engine.
Fig. 3 zeigt in einem Diagramm Messungen der Adiabaten- Exponenten K für ein Gemisch aus Stickstoff und Kohlendioxyd in verschiedenen Mischungs verhältnisse. Fig. 3 shows in a diagram measurements of the adiabatic exponent K for a mixture of nitrogen and carbon dioxide in different mixing ratios.
Anhand von Fig. 1 soll die Wirkungsweise einer Wärmekraft maschine beschrieben werden. Eine erste Turbine ist mit 10 und eine zweite Turbine mit 12 bezeichnet. Durch die beiden Turbinen 10 und 12 streckt sich eine Welle 14. An der Welle 14 kann beispielsweise ein (nicht gezeigter) Generator zur Stromerzeugung angeschlossen sein. Dabei befindet sich die erste Turbine 10 an der sogenannten kalten Seite und die zweite Turbine 12 an der sogenannten warmen Seite der Wärmekraftmaschine.The operation of a heat engine is to be described with reference to FIG. 1. A first turbine is designated 10 and a second turbine 12 . A shaft 14 extends through the two turbines 10 and 12 . For example, a generator (not shown) for generating electricity can be connected to the shaft 14 . The first turbine 10 is located on the so-called cold side and the second turbine 12 on the so-called warm side of the heat engine.
Die beiden Turbinen 10 und 12 sind über ein Leitungssystem miteinander verbunden. Eine erste Leitung 16 verbindet die erste Turbine 10 mit dem Eingang der kalten Seite eines ersten Wärmetauschers 18. Der Ausgang der warmen Seite des ersten Wärmetauschers 18 ist über eine Leitung 20 mit dem Eingang der kalten Seite eines zweiten Wärmetauschers 22 verbunden. Der Ausgang der warmen Seite des zweiten Wärme tauschers 22 ist über eine Leitung 24 mit der zweiten Turbine 12 verbunden. Eine Leitung 26 verbindet die zweite Turbine 12 mit dem Eingang der warmen Seite des ersten Wärmetauschers 18. Der Ausgang der kalten Seite des ersten Wärmetauschers 18 ist über eine Leitung 20 mit dem Eingang der warmen Seite eines dritten Wärmetauschers 30 verbunden. Der Ausgang der kalten Seite des dritten Wärmetauschers 30 ist über eine Leitung 32 mit der ersten Turbine 10 verbunden. Dieses System bildet ein geschlossenes System, in welchem das Arbeitsmedium der Wärmekraftmaschine eingeschlossen ist. Das Arbeitsmedium fließt in Richtung der Pfeile in Fig. 1.The two turbines 10 and 12 are connected to one another via a line system. A first line 16 connects the first turbine 10 to the cold side inlet of a first heat exchanger 18 . The output of the warm side of the first heat exchanger 18 is connected via a line 20 to the input of the cold side of a second heat exchanger 22 . The output of the warm side of the second heat exchanger 22 is connected to the second turbine 12 via a line 24 . A line 26 connects the second turbine 12 to the inlet of the warm side of the first heat exchanger 18 . The cold side outlet of the first heat exchanger 18 is connected via a line 20 to the warm side inlet of a third heat exchanger 30 . The cold side output of the third heat exchanger 30 is connected to the first turbine 10 via a line 32 . This system forms a closed system in which the working medium of the heat engine is enclosed. The working medium flows in the direction of the arrows in FIG. 1.
Der Eingang der warmen Seite und der Ausgang der kalten Seite des zweiten Wärmetauschers 22 sind über Leitungen 34 und 36 mit einem ersten Kessel 38 verbunden. Der Eingang der kalten Seite und der Ausgang der warmen Seite des dritten Wärmetauschers 30 sind über Leitungen 40 und 42 mit einem zweiten Kessel 44 verbunden. Der erste Kessel 38 wird auf eine Temperatur T₂ gehalten. Der zweite Kessel 44 wird auf eine Temperatur T₄ gehalten, wobei T₂<T₄ ist. The warm side inlet and the cold side outlet of the second heat exchanger 22 are connected to a first boiler 38 via lines 34 and 36 . The cold side inlet and the warm side outlet of the third heat exchanger 30 are connected via lines 40 and 42 to a second boiler 44 . The first boiler 38 is kept at a temperature T₂. The second boiler 44 is kept at a temperature T₄, where T₂ <T₄.
Das Arbeitsmedium wird in der ersten Turbine 10 auf den Druck p₁ komprimiert. Es fließt dann über die Leitung 16 in den ersten Wärmetauscher 18. Hier wird das Arbeitsmedium von der Temperatur T₁ auf eine Temperatur Tw erwärmt. Dies erfolgt im Gegenstromverfahren durch gleichzeitige Abkühlung des von der zweiten Turbine 12 kommenden Arbeits mediums. Das Arbeitsmedium fließt dann weiter über die Leitung 20 in den zweiten Wärmetauscher 22. Hier wird das Arbeitsmedium von der Temperatur Tw auf die Temperatur T₂ erwärmt. Dies erfolgt im Gegenstromverfahren durch gleich zeitige Abkühlung des von dem ersten Kessel 38 kommenden Mediums. In der zweiten Turbine 12 wird das Arbeitsmedium dann entspannt, wodurch Arbeit geleistet wird. Das Arbeits medium verläßt die zweite Turbine 12 unter dem Druck p₃ und mit der Temperatur T₃. Es fließt über die Leitung 26 in den ersten Wärmetauscher 18 und wird hier auf eine Temperatur Tk abgekühlt. Das Arbeitsmedium fließt dann weiter über die Leitung 28 in den dritten Wärmetauscher 30. Hier wird das Arbeitsmedium von der Temperatur Tk auf die Temperatur T₁ abgekühlt. Dies erfolgt im Gegenstromverfahren durch gleichzeitige Erwärmung des von dem zweiten Kessel 44 kommenden Mediums.The working medium is compressed in the first turbine 10 to the pressure p 1. It then flows via line 16 into the first heat exchanger 18 . Here the working medium is heated from the temperature T 1 to a temperature T w . This is done in the counterflow process by simultaneous cooling of the working medium coming from the second turbine 12 . The working medium then continues to flow via line 20 into second heat exchanger 22 . Here the working medium is heated from the temperature T w to the temperature T₂. This is done in a countercurrent process by simultaneously cooling the medium coming from the first boiler 38 . The working medium is then expanded in the second turbine 12 , as a result of which work is performed. The working medium leaves the second turbine 12 under the pressure p₃ and with the temperature T₃. It flows via line 26 into the first heat exchanger 18 and is cooled here to a temperature T k . The working medium then continues to flow via line 28 into third heat exchanger 30 . Here, the working medium is cooled from the temperature T k to the temperature T 1. This is done in a countercurrent process by simultaneous heating of the medium coming from the second boiler 44 .
Durch den ersten Wärmetauscher 18 ist es nicht möglich, das Arbeitsmedium aus der Leitung 16 auf die Temperatur T₂ des Arbeitsmediums aus der Leitung 26 zu erwärmen oder das Arbeitsmedium aus der Leitung 26 auf die Temperatur T₁ des Arbeitsmediums aus der Leitung 16 abzukühlen. Es gilt also immer T₂<Tw<Tk<T₁. Through the first heat exchanger 18 , it is not possible to heat the working medium from line 16 to the temperature T₂ of the working medium from line 26 or to cool the working medium from line 26 to the temperature T₁ of the working medium from line 16 . So it always applies T₂ <T w <T k <T₁.
Fig. 2 zeigt ein p-V-Diagramm und veranschaulicht die Zustandsänderungen des Arbeitsmediums bei einem Durchlauf durch die Wärmekraftmaschine. Anhand von diesem Zustands diagramm soll die Arbeitsweise der beschriebenen Wärme kraftmaschine erläutert werden: Fig. 2 shows a PV diagram illustrating the state changes of the working medium in one pass by the heat engine. The operating mode of the heat engine described is to be explained on the basis of this state diagram:
Das Arbeitsmedium verläßt die erste Turbine 10 unter einem Druck p₁ und mit einer Temperatur T₁. Dies entspricht dem Punkt I in Fig. 2.The working medium leaves the first turbine 10 under a pressure p 1 and at a temperature T 1. This corresponds to point I in FIG. 2.
In einer ersten Arbeitsphase wird das Arbeitsmedium annähernd isobar (p₁ = p₂) von der Temperatur T₁ auf eine Temperatur T₂ erwärmt, wobei das Volumen des Arbeitsmediums von einem Volumen V₁ auf einem Volumen V₂ zunimmt. Dabei wird in dem ersten Wärmetauscher 18 die Temperatur des Arbeitsmediums von T₁ auf Tw und in dem zweiten Wärme tauscher 22 Tw auf T₂ erhöht.In a first working phase, the working medium is heated approximately isobarically (p₁ = p₂) from the temperature T₁ to a temperature T₂, the volume of the working medium increasing from a volume V₁ to a volume V₂. The temperature of the working medium is increased from T₁ to T w and in the second heat exchanger 22 T w to T₂ in the first heat exchanger 18 .
In einer zweiten Arbeitsphase wird das Arbeitsmedium annähernd adiabatisch von dem Druck p₂ auf einem Druck p₃ entspannt und von dem Volumen V₂ auf einem Volumen V₃ expandiert, wobei die Temperatur von der Temperatur T₂ auf die Temperatur T₃ abnimmt.In a second phase of work, the working medium approximately adiabatic from the pressure p₂ to a pressure p₃ relaxed and from the volume V₂ to a volume V₃ expands, the temperature from the temperature T₂ on the temperature T₃ decreases.
In einer dritten Arbeitsphase wird das Arbeitsmedium annähernd isobar (p₃ = p₄) von der Temperatur T₃ auf die Temperatur T₄ abgekühlt, wobei das Volumen des Arbeits mediums von dem Volumen V₃ auf einem Volumen V₄ abnimmt.In a third phase of work, the working medium approximately isobar (p₃ = p₄) from the temperature T₃ to Temperature T₄ cooled, the volume of work mediums decreases from the volume V₃ to a volume V₄.
In einer vierten Arbeitsphase wird das Arbeitsmedium annähernd adiabatisch von dem Druck p₄ auf dem Druck p₁ und von dem Volumen V₄ auf dem Volumen V₁ komprimiert, wobei die Temperatur sich von der Temperatur T₄ auf die Temperatur T₁ ändert.In a fourth phase of work, the working medium approximately adiabatic from the pressure p₄ on the pressure p₁ and compressed by the volume V₄ on the volume V₁, the Temperature rises from the temperature T₄ to the temperature T₁ changes.
Das p-V-Diagramm bildet eine geschlossene Kurve, die eine Fläche umschließt und im Uhrzeigersinn durchlaufen wird. Die Wärmekraftmaschine leistet daher bei jedem Zyklus mechanische Arbeit.The p-V diagram forms a closed curve, the one Encloses area and is run clockwise. The heat engine therefore performs every cycle mechanical work.
In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel arbeitet die erste Turbine 10 als Verdichter und die zweite Turbine 12 als Maschine. Über die Welle 14 wird die Turbine 10 von der Turbine 12 angetrieben. Es sei erwähnt, daß nicht nur Turbinen verwendet werden können, sondern beispielsweise auch Kolbenmaschinen. Weiterhin sei erwähnt, daß die hier beschriebene Wärmekraftmaschine nach dem sogenannten Joule- Prozeß arbeitet. Die Erfindung ist aber nicht beschränkt auf Wärmekraftmaschinen, welche nach diesem Arbeitsdiagramm arbeiten, sondern findet für alle Wärmekraftmaschinen Anwendung.In the exemplary embodiment described, the first turbine 10 works as a compressor and the second turbine 12 as a machine. The turbine 10 is driven by the turbine 12 via the shaft 14 . It should be mentioned that not only turbines can be used, but also piston machines, for example. It should also be mentioned that the heat engine described here works according to the so-called Joule process. However, the invention is not limited to heat engines that work according to this working diagram, but applies to all heat engines.
Erfindungsgemäß wird nun als Arbeitsmedium ein Mehrstoff
gemisch verwendet. In verschiedenen Experimenten hat es
sich gezeigt, das Stoffgemische aus ca. 90% Kohlendioxyd
und ca. 10% Stickstoff und Stoffgemische aus ca. 90% Butan
und ca. 10% Stickstoff auffallende Eigenschaften zeigen.
Diese Eigenschaften werden noch weiter verstärkt, wenn den
Stoffgemischen Wasser in geringen Mengen zugeführt werden.
Folgende Effekte sind experimentell beobachtet worden:
Wenn in einen mit (gasförmigem und flüssigem) Kohlendioxyd
gefüllten, geschlossenen Behälter bei einer Temperatur von
0°C Stickstoff eingeleitet wird, dann erhöht sich, wie
erwartet, der Druck in dem Behälter. Überraschenderweise
sinkt dabei die Temperatur auf ca. -10°C ab. Der selbe
Effekt tritt auch mit Wasserstoff statt Stickstoff sogar in
verstärkter Form auf. Dieser Effekt ist auch bei Ausgangs
temperaturen bis +20°C zu beobachten. Über +20°C wird der
Effekt nicht mehr beobachtet. Das Absinken der Temperatur
mit steigendem Druck wird nur bei kleinen Einfüllmengen von
Stickstoff beobachtet. Wenn der Stickstoffgehalt ca. 20%
übersteigt, verschwindet der Effekt ebenfalls. Wenn man
also ein Arbeitsmedium aus ca. 90% Kohlendioxyd und ca. 10%
Stickstoff in einer Wärmekraftmaschine verwendet, und T₁ auf
0°C hält (s. Fig. 2), dann wird das Arbeitsmedium bei der
Kompression in der Turbine 10 nur wenig erwärmt.According to the invention, a multi-substance mixture is now used as the working medium. In various experiments it has been shown that mixtures of approximately 90% carbon dioxide and approximately 10% nitrogen and mixtures of approximately 90% butane and approximately 10% nitrogen show remarkable properties. These properties are further enhanced when small amounts of water are added to the mixtures. The following effects have been observed experimentally:
As expected, when nitrogen is introduced into a closed container filled with (gaseous and liquid) carbon dioxide at a temperature of 0 ° C, the pressure in the container increases. Surprisingly, the temperature drops to approx. -10 ° C. The same effect occurs with hydrogen instead of nitrogen, even in an increased form. This effect can also be observed at initial temperatures of up to + 20 ° C. The effect is no longer observed above + 20 ° C. The drop in temperature with increasing pressure is only observed with small quantities of nitrogen. If the nitrogen content exceeds approx. 20%, the effect also disappears. So if you use a working medium from about 90% carbon dioxide and about 10% nitrogen in a heat engine, and T₁ to 0 ° C (see FIG. 2), then the working medium is only a little when compressed in the turbine 10 warmed up.
Anders verhält sich ein Gemisch aus ca. 90% Butan und ca. 10% Stickstoff. Wenn ein solches Gemisch bei einer Ausgangstemperatur von 94°C von einem Druck von ca. 127 bar auf einen Druck von ca. 100 bar expandiert wird, dann steigt die Temperatur des Gemisches auf ca. 127°C. Wenn der Druck wieder auf 127 bar erhöht wird, sinkt die Temperatur auf die Ausgangstemperatur wieder ab. Bei bekannten Stoffen und Stoffgemische erwartet man ein umgekehrtes Verhalten erwarten.A mixture of approx. 90% butane and approx. 10% nitrogen. If such a mixture in a Initial temperature of 94 ° C from a pressure of approx. 127 bar is expanded to a pressure of about 100 bar, then the temperature of the mixture rises to approx. 127 ° C. If the Pressure is increased to 127 bar, the temperature drops to the initial temperature. With known substances and mixtures of substances one expects a reverse behavior expect.
Eine weitere Eigenschaft dieser Stoffgemische wirkt sich auf den Wirkungsgrad η einer Wärmekraftmaschine günstig aus. Es läßt sich zeigen, daß bei adiabatischer Zustands änderung eines Gases der Kurvenverlauf durch die GleichungAnother property of these mixtures of substances has an effect to the efficiency η of a heat engine cheap out. It can be shown that with an adiabatic state change of a gas the curve shape by the equation
(3) pVκ = C,(3) pV κ = C,
sehr gut beschrieben wird, wobei C eine Konstante ist.is very well described, where C is a constant.
Messungen des Adiabaten-Exponenten κ für ein Stoffgemisch aus Kohlendioxyd und Stickstoff in verschiedenen Konzentra tionen bei einer Temperatur von 0°C haben gezeigt, daß κ sehr niedrige Werte unter 1 hat. Diese Messungen sind in Fig. 3 aufgeführt. Rechts oben in der Fig. 3 sind die verschiedenen Werte für κ bei Stickstoffkonzentrationen von C=0,1 bis C=1,0 aufgeführt.Measurements of the adiabatic exponent κ for a mixture of carbon dioxide and nitrogen in various concentrations at a temperature of 0 ° C have shown that κ has very low values below 1. These measurements are shown in Fig. 3. The top right in FIG. 3 shows the various values for κ at nitrogen concentrations from C = 0.1 to C = 1.0.
Der Wert von κ hat eine Auswirkung auf den Abfall des adiabatischen Kurvenverlauf s von dem Punkt II zu dem Punkt III in dem Zustandsdiagramm in Fig. 2. Je kleiner κ ist, desto flacher verläuft dieser Kurvenabschnitt und je flacher dieser Kurvenabschnitt ist, desto größer wird die von der Kurve umschlossene Fläche und damit auch die bei jedem Zyklus geleistete Arbeit der Wärmekraftmaschine. Als Arbeitsmedium in einer Wärmekraftmaschine erhält man also auch durch diese Eingenschaft einen höheren Wirkungsgrad als mit herkömmlichen Stoffen oder Stoffgemischen.The value of κ has an effect on the drop in the adiabatic curve shape s from point II to point III in the state diagram in FIG. 2. The smaller κ, the flatter this curve section and the flatter this curve section, the larger it becomes the area enclosed by the curve and thus also the work performed by the heat engine in each cycle. As a working medium in a heat engine, this property also gives a higher degree of efficiency than with conventional substances or mixtures of substances.
Claims (8)
- (a) einen abgeschlossenen Raum, in dem ein Arbeits medium eingeschlossen ist,
- (b) Wärmeaustauschmittel, mittels denen dem Arbeits medium Wärme zu- und abgeführt wird,
- (a) a closed room in which a working medium is enclosed,
- (b) heat exchange means by means of which heat is supplied to and removed from the working medium,
- (c) das Arbeitsmedium ein Mehrstoffgemisch ist und
- (d) das Mischungsverhältnis des Mehrstoffgemisches, der Arbeitsdruckbereich und der Arbeitstemperatur bereich der Wärmekraftmaschine so gewählt wird, daß, bezogen auf das Verhalten eines Einstoff- Arbeitsmedium, die Temperatur des Mehrstoff gemisches in einem bestimmten Druckbereich bei abnehmendem Druck weniger sinkt und bei steigendem Druck weniger steigt.
- (c) the working medium is a multi-substance mixture and
- (d) the mixing ratio of the multicomponent mixture, the working pressure range and the working temperature range of the heat engine is chosen so that, based on the behavior of a single-substance working medium, the temperature of the multicomponent mixture drops less in a certain pressure range with decreasing pressure and less with increasing pressure increases.
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