el. Wärmepumpe für Hochtemperatur (400->800°C)

Tom Berger schrieb:

Hallo,

wenn auch die Zylinderwände eines Dieselmotors diese 700 °C nicht ganz erreichen, im Verbrennungsraum und in den Abgasen werden die schon erreicht, ja sogar schon beim Verdichten der Luft vor dem Einspritzen des Diesels. Mit der Technologie von Dieselmotoren sollten also auch Kolbenverdichter als Wärmepumpen für diesen Temperaturbereich gebaut werden können. Ein Problem dabei könnte das Ansaugen von Gas mit 400 °C sein.

Bye

Tom Berger:

Vielleicht irgendwo bei diesen Leuten, die Wüstensonne vergasen wollen?

Gruss

Jan Bruns

Am 25.05.2011 16:03, schrieb Uwe Hercksen:

Gute Idee. Vielleicht mal unter "Keramikmotoren" suchen. Damit werden seit geraumer Zeit Versuche gefahren; teilweise sogar ohne Schmierstoff, was für so hohe Temperaturen ja durchaus wichtig wäre.

Christoph Müller schrieb:

Oder suche nach Torlon. Die Idee, Kunststoffmotoren zu bauen, war in den

80ern hip:

Uwe Hercksen schrieb:

Da könnte eine Gasturbine den Kolbenverdichter antreiben. Turbinen sind hohe Eintrittstemperaturen gewohnt.

Am 02.06.2011 20:36, schrieb Tom Schneider:

Wird für den Fall des Op nicht viel bringen. Die Hochtemperaturteile sind ja auch bei diesem Motor aus Metall.

Dass man Motorblöcke aus Kunststoff machen kann, überrascht mich nicht. Was mich mehr überraschen würde, wäre, wenn der Preis auch noch niedriger als mit Alu wäre. High-Tech-Kunststoffe sind halt auch nicht grade das billigste Zeug.

Am 02.06.2011 20:38, schrieb Tom Schneider:

Aber nur, weil diese mit einer kalten Gasschicht gekühlt werden. Das wäre hier vermutlich schlecht möglich. Die Verwendung von Hochtemperaturwerkstoffen halte ich für angebracht.

Christoph Müller schrieb:

Ich dachte jetzt an die üblichen Anwendungsfälle im Kraftwerk (Heißdampf) oder im Flugzeug. Was meinst Du mit "weil diese mit einer kalten Gasschicht gekühlt werden"?

Am 03.06.2011 20:42, schrieb Tom Schneider:

Die Turbinen sind u.a. deshalb so teuer, weil die Schaufeln von Kanälen durchzogen sind, durch die kalte Luft zur Kühlung gedrückt wird. Diese Luft tritt auf der Schaufeloberfläche aus und erzeugt damit eine dünne, kalte und gut wärmeisolierende Gasschicht.

In einem Kompressor stelle ich es mir etwas schwieriger vor, einen solchen Gasfilm aufrecht erhalten zu können. Schließlich sorgt ja schon die Kompression selbst dafür, dass das Gas heiß wird. Mit geeigneter Dimensionierung könnt's natürlich funktionieren. Stellt sich nur die Frage, ob man das auch tatsächlich hin kriegt und auch wirklich das Gewünschte noch erreicht.

filmkuehlung gibts bei gasturbinen tatsaechlich, naemlich direkt nach der brennkammer, wo das medium mit heute bis zu 1800°C ankommt. aeltere gasturbinen mit innengekuehlten schaufeln kommen immer noch mit 1500°C medientemperatur klar, aber wenn man sich das in der praxis dann mal am abgasende anschaut, wo vieleicht noch 900°C herrschen, dann wird da im wesentlichen ueberhaupt nicht gekuehlt.

schaufeln aus feinguss (INCONEL faellt mir grad ein, andere marken gibts auch) sind bis gut 900°C so langzeitstabil, dass man da auch nicht wirklich denken muss.

in jedem halbwegs aktuellen diesel laeuft ein schaufelrad bei 850°C betriebstemperatur, natuerlich auch ohne filmkuehlung.

X-No-Archive: Yes

begin quoting, Christoph Müller schrieb:

Wieso? Da wird eben ein kleiner Teilgasstrom abgezwackt und gekühlt und dann nachverdichtet, nochmals gekühlt und als Spülgas verwendet. Ich sehe jedenfalls kein grundsätzliches Problem.

Aber sind 400 °C denn überhaupt ein ernsthaftes Problem für Turbinen? Es kommt doch eigentlich nur eine Dampfturbine in Frage: Die Rede war ja nicht von hohen Drucken, sondern von hohen Temperaturen. Also wird man mit der hohen Temperatur wohl am besten über einen WT Speisewasser verdampfen und mit dem Dampf dann eine Turbine antreiben - wenn sich ohnehin (überhitzter) Dampf im System befindet, dann kann man, falls das überhaupt notwendig ist, durch die Kühlkanäle auch dosiert kaltes Kesselspeisewasser pumpen, was beim Verdampfen sehr effektiv kühlen sollte. Und als Arbeitsmaschine läuft dann am besten auf derselben Welle eine zweite Turbine als Niederdruck-Hochtemperaturkompressor mit, der aus 400 °C dann 700 °C macht. Problem dabei: Was macht man dann mit dem heißen Fluid? Entspannen geht nicht, dann ist die Temperatur wieder weg, und ohne Temperaturabsenkung kriegt man die Wärme da auch nicht raus und anderswohin.

Da braucht man dann also bei dieser hohen Temperatur eine Phasenumwandlung (Kondensation) wie bei einem Brüdendampfverdichter, also ein Arbeitsgas, daß sich durch hohen Druck bei ca. 700 °C kondensieren läßt (und zwar mit möglichst hoher Verdampfungsenthalpie), aber bei niedrigem Druck bei 400 °C noch gasförmig ist. Wird vielleicht ein bißchen schwierig...

Gruß aus Bremen Ralf

Am Sat, 04 Jun 2011 02:45:21 +0200 schrieb Ralf . K u s m i e r z:

Ich dachte da an Quecksilber. Das verdampft unter Normaldruck bei 630°C, und nimmt dabei immerhin 60 kJ/mol auf.

X-No-Archive: Yes

begin quoting, Tom Berger schrieb:

Und bei 700 °C kondensiert es dann unter Druck wieder? Und im Vakuum verdampft es bei 400 °C und läßt sich dann adiabatisch bis 700 °C komprimieren? Und rotglühender Quecksilberdampf ist nicht zufällig chemisch extrem aggressiv und korrosiv?

Ich glaube, das wird nichts.

Gruß aus Bremen Ralf

Ralf . K u s m i e r z:

Ich tue mich schwer, dieser Diskussion insgesamt zu folgen.

Ok, daß eine Lösung mit Kolben, die von 400 auf 700°C pumpen soll, hinsichtlich Schmiermitteln problematisch sein könnte, ist intuitiv noch nachzuvollziehen, auch wenn man das ganze bestimmt so gestalten kann, daß der Kolben selbst eher bei der unteren der beiden Temperaturen läuft (und ich bin auch alles andere als sicher, daß nicht auch für 700°C noch Schmiermittel verfügbar sein könnten, aber ok, mag sein, daß nicht).

Was aber 700°C einer Turbine ausmachen sollten, wenn die nicht ausgerechnet aus einem Metall mit tieferem Schmelzpunkt gefertigt sind, verstehe ich noch nicht so ganz.

So, und jetzt meinst Du auch noch, es müsse unbedingt ein Schema mit Kondensation bei der hohen Temperatur sein. Auf die Idee bin ich überhaupt noch nicht gekommen, daß diese Option überhaupt bestehen könnte (das wäre ja doch eine Temperatur, bei der viele Stoffe schon weit über ihrem kritischen Punkt sind, und selbst wenn ein Ausnahmefall das nicht sein sollte, wird die Kondensationswärme bei der hohen Temperatur sehr klein sein).

Was spricht bspw. dagegen, schlicht und einfach Stickstoff, oder ein ähnlich billiges Gas zu verdichten, und nach Wärmeentnahme wieder unter Rückgewinnung des verbleibenden mechanischen Potentials zu dekomprimieren? Ist da irgendein prinzipieller, theoretischer Nachteil zu sehen? Und im Vgl. zu was eigentlich?

Für zugegebenermassen gänzlich andere Betriebsparameter hatte ich hier ja neulich im Thread "[HA, Rechnerei] Wärmekraftmaschine" verblüfft festgestellt, daß das Medium für Verdampfungs/Kondensationsgeschichten erstaunlich irrelevant ist (sofern mit den Parametern prinzipiell kompatibel) und zumindest bei der dort gewählten Anordnung sank die theoretisch mögliche Effizienz (in Vgl. zu Carnot) mit zunehmender Temperaturdifferenz.

Gruss

Jan Bruns

X-No-Archive: Yes

begin quoting, Jan Bruns schrieb:

Ab 400-500 °C geht die Festigkeit von Stahlwerkstoffen rapide in die Knie, und Turbinen sind nun einmal mechanisch hochbeansprucht. Da braucht man dann also eine aufwendige Konstruktion mit gekühlter, mechanisch belastbarer Innenstruktur und wärmeisolierender hochtemperaturbeständiger Beschichtung. Von der Festigkeit kommt man nicht weg: Die Größenordnung der Fluidgeschwindigkeiten liegt in der Größenordnung der Schallgeschwindigkeit, die proportional zur Wurzel aus der absoluten Temperatur ist, und die Umfangsgeschwindigkeiten liegen auch in dieser Größenordnung von einigen hundert Metern pro Sekunde, und das ist für Rotoren nnmal so in etwa der Grenzbereich des seitens der Werkstoffestigkeit mechanisch Möglichen.

Nicht unbedingt Kondensation, aber schon eine Latentwärmespeicherung, also eine Phasenumwandlung. Das könnte auch ein Schmelzen sein - die Hauptsache ist, daß bei der oberen Temperatur sehr effizient Wärme aus dem Arbeitsmedium herausgenommen wird.

Warum? Die hängt doch von der molekularen Bindungsenergie ab. Warum sollte ein hochsiedender Stoff denn eine niedrigere Verdampfungsenthalpie als Wasser haben?

Ein Hochdruckgasspeicher bei 1000 K? Das ist doch wohl nicht Dein Ernst.

Unter einer Wärmepumpe versteht man eigentlich einen Apparat mit zwei Wärmetauschern und einem Energieanschluß, der unter Leistungsaufnahme wenig Wärme auf der kalten Seite aufnimmt und viel auf der warmen Seite abgibt, also eine rückwärts laufende Wärmekraftmaschine, die sich im Betriebsverhalten in der Nähe des Carnotwirkungsgrades bewegen sollte. Wie die das intern macht, ist ihre Sache, aber wenn man sich überlegt, daß man das gerne mit einem Clausius-Rankine-Kreisprozeß machen möchte, dann kommt man an der Kondensation bei hohem Druck nicht vorbei. Muß man natürlich nicht: Man kann auch isotherm komprimieren und die Wärme kontinuierlich abzapfen und dann adiabat entspannen. Bloß braucht man dabei unbequem große Arbeitshübe und ziemlich teure Wärmetauscher.

Es muß erst einmal überhaupt funktionieren. Hoher Druck und hohe Temperatur gleichzeitig sind eine ziemlich problematische Kombination.

Gruß aus Bremen Ralf

Ralf . K u s m i e r z:

Hm, ok, das klingt aber nicht nach einem prinzipiellen Hindernis, sondern nur nach einem bei der Konstruktion zu beachtenden Detail.

Verstehe ich nicht. Gefragt war eine Wärmepumpe. Wie verwendet man Feststoffe bzw. deren Übergang zum Pumpen von Wärmeleistung gegen eine Temperaturdifferenz?

Welche passend hochsiedenden Stoffe kennst Du denn im Detail? Und wo liegt deren kritische Temperatur?

Wieso Hochdruck? Schätze bitte JETZT, wie hoch der Druck auf der heissen

1000K-Seite sein muss, wenn Du Stickstoff ausgehend von 673K und sagen wir 0.25 bar komprimierst.

Und wieso speichern? Das Gas müsste da ja nur so lange verweilen, wie es braucht, ein wenig Wärme abzugeben. Also nicht lange, also auch wenig Volumen.

Mag effektiver sein (dazu hat Tom noch gar nicht mitgeteilt, was da gefordert wäre), überblicke ich gerade nicht, aber einfacher ist sicher erstmal schlicht adiabate kompression bis zur einer Zieltemperatur, isobare Wärmeentnahme, adiabate Entspannung, isobare Wärmezufuhr von der kalten Seite.

Sehe ich nirgends. Wo? Rechne mal.

Eben.

Gruss

Jan Bruns

Was spricht dagegen, eine Wärmekraftmaschine zwischen 400°C und 100°C laufen zu lassen, einen Dynamo damit anzutreiben und den in eine schnöde Heizwendel zu speisen? Das sind doch jeweils lange erprobte Baugruppen. OK, der OP hat genau(?) danach gefragt.

"Tom Berger" schrieb im Newsbeitrag news:1trlzk9vpa43a.tb1f1blaxdos$. snipped-for-privacy@40tude.net...

Wenn man Gasturbinen mit hohen Temperaturen bauen kann, kann man mit den gleichen Materialien auch Verdichter bauen. Damit bietet sich eine Gas(kälte)maschine als Wärmepumpe mit Luft als Medium an:

Siehe

Kapitel 5.5.

MfG JCH

Am Sun, 05 Jun 2011 05:17:10 +0200 schrieb Ralf . K u s m i e r z:

Naja, die 700°C hab' ich bewusst so angesetzt, weil das ungefähr die derzeitige Obergrenze dessen ist, was in modernen Kraftwerken erreichbar ist. Dass es Kohlekraftwerke mit 50% Wirkungsgrad gibt, liegt im Wesentlichen an der höheren Temperaturbeständigkeit neuer Turbinenschaufeln.