Hűtésre és környezeti hő hasznosítására alkalmas eljárás

1. Cél, szabadalom tárgya, ábra lista, újdonság lényege, felismerés

Cél:

Jelenleg a szükséges energia túlnyomó többségét a hőerőgépek és belső égésű motorok hozzák létre, melynek használata rengeteg káros és drága energiahordozó -szén, gáz, benzin stb.- felhasználásával történik. Ez vezetett ahhoz a kutatáshoz, hogy a rengeteg hulladék és környezeti hőenergiát -továbbiakban környezeti hő-, valahogy hasznosítani lehessen, ezáltal tiszta és olcsó mechanikai és villamos -továbbiakban hasznos energiához – jusson földünk. Újdonságkutatásaim során hasonló eljárást nem találtam. Korábbi beadványaimra a hivatal által újdonságrontó JP2003336573A számú Japán szabadalmi irat több okból is működés képtelen.

JP2003336573A írat véleményezése a dokumentum és a 10. ábra alapján. Sajnos a diagram nem egyértelműen van számozva és véleményem szerint nem is teljesen egyezik a leírás szövegével és a sematikus ábrával. A 10.ábrán látható diagrammot, az eredeti diagrammon látható értékek alapján készítettem a NIST adatbázisából vett pontosabb étékek alapján.

Műszaki ismertetés JP észrevétel: A sematikus ábrán egyértelműen látható. hogy a telített gőz az adiabatikus expanzió után keveredik a folyadék halmazállapotú komponens elpárologtatott gőzével. Ezt a leírás is említi. Ezek alapján joggal feltételezhetem, hogy a folyadék 10. ábra X pontjába jut. Ekkor a magasabb hőmérsékleten lévő 1 pont gőz keveredik az X gőzzel. Az eredeti diagram alapján valószínűsíthető, hogy a keverék 1x pontban egyesül. Erre utal, hogy az a ponttal jelölt adiabatát jelölte meg az új 1x pontból induló ciklus kezdetének. Véleményem szerint a keverék ekkor körülbelül 5% folyadékot tartalmaz, a többi gőz. A kettőnek a keveréke az izobár vonalon legalább az 1xx pont, de még inkább az 1 ponthoz közelebb keletkezik. Ha ezt expandáljuk ki a következő ciklusban akkor egyáltalán nem keletkezik folyadék. A körfolyamat nem záródik a rendszer leáll.

Vizsgálataink során arra a következtetésre jutottunk, hogy a JP eljárás egyébként sok lépésben hasonlít az általam összeállított, 1,) igénypontban megfogalmazott eljáráshoz. A Jp eljárásnak szintén célja a környezeti hőenergia hasznosítása. Ráadásul megtalálható benne a három fő lépés „egy expanzió a vegyes halmazállapotban” x,2 adiabata, „egy gőz hőmérséklet emelés” 3’, 4,1. „egy kompresszióval egybekötött gőz-gőz keverés” 1,x lépés.

 A különbség csak annyi, hogy a keveredésnél nem gőz-folyadék keverést választott. A folyadékot hőcserélőben elpárologtatásával elveszti a lehetőséget, hogy a forráshőigénnyel visszaállítsa az eredeti állapotba. Ezért nem záródik a körfolyamat. Ezért ciklikus folyamatra alkalmatlan. És ezért nem keletkezik neki folyadék, amit szabadon felhasználhat.

Bemutatás, a szabadalom tárgya:

1. A hűtésre és környezeti hő hasznosításra alkalmas eljárás valójában egy hűtési eljárás, amely eljárás egy erre a célra kialakított gépben megvalósítva akár kriogén hőmérsékleteken is képes gazdaságosan hűteni. Lényege, hogy a hűtés alatt magába szívott hőenergiát munkává alakítja.

 2. A megtermelt munka egy részét elfogyasztja, de a maradék 3. ábra A rajz hasznos energiaként felhasználható. Ez a közvetlen Co/Pp hűtőerőforrás. (Cooler-Powerplant)

 3. A hűtési eljárásnak, sok előnye mellett, a másik fő célja a környezeti hő hasznosításának megvalósítása oly módon, hogy a 3. ábra B rajz CoPp hűtőerőforrás a Pp hagyományos erőművi körfolyamatot környezeti hő alatti hőmérsékleten teszi működőképessé azáltal, hogy a fáradtgőz munkaközeget visszahűti folyadék halmazállapotúra. A környezeti hőmérséklet alatti erőmű előnye, hogy hagyományos kazán helyett a munkaközeg nagynyomású gőzé alakítását hőcserélő végzi, amely a környezeti hőből kapja az energiát. Ez a környezeti hő hasznosítására alkalmas eljárás másik változta. Az itt tárgyalt hűtőerőforrás, mint alapgép alkalmazásával, az Pp környezeti hő hasznosítása az eddig ismert technikai megoldásokkal is megvalósítható.

Kifejezések

• Alapeljárás: W3 a szabadalom tárgya,
• Alapgép: Összetett eljárás. Egy alapeljárás és az általa létrehozott folyadék hasznosítását végrehajtó eljárás együttese. Esetünkben Co/Pp vagy CoPp.
• A példa: Hűtőerőforrás. Csak az alapgépet tartalmazza. CoPp.
• B példa: Alapgép és alapgép, vagy alapgép és erőművi eljárás. CoPp+Pp
• C példa: Alapgép és erőművi eljárások. Co/Pp+2*Pp

A termodinamikai folyamatokat, mint elvi eljárást általában termodinamikai körfolyamatok formájában tervezik meg. Én is ezt tettem az eljárás kidolgozásánál.

Az eljárás megértéséhez a következő ábrákat csatoltam be:

1. Hűtésre és környezeti hő hasznosítására alkalmas eljárás T-s diagramja.
2. Az eljárást megvalósító gép sematikus rajza. Co/Pp. Szeparált, Co és Pp elkülönült.
3. A technika jelenlegi állása és az újdonság lényegét bemutató ábra. A környezeti hő hasznosítására alkalmas termodinamikai eljárások T-s diagramja
4. A. példa T-S diagramja. Gázoldali, integrált hűtés, CoPp. Jármű és háztartási előforrás.
5. A. példa sematikus ábrája CoPp
6. B. példa T-S diagramja. Törpeerőmű
7. B. példa sematikus ábrája CoPp+Pp
8. C. példa T-S diagramja. Nagyerőmű. Levegő cseppfolyósítással.
9. C. példa sematikus ábrája Co/Pp+2*Pp
10. JP2003336573A iratban található T-s diagram

A technika jelenlegi állása x és az újdonság lényege y:

X. A jelenleg ismert hűtőgépeknek a rendelkezésre álló környezeti hőmérséklethez közel kell működnie, mert a hűtésnél magába szívott hőenergiát a kompresszor által a környezetnél magasabb hőmérsékletre emelt munkaközeg csak akkor tudja leadni a környezetének. Ez a hagyományos eljárás az egyetlen jelenleg széles körben elfogadott hűtési eljárás. Erre az eljárásra alapozták azt a hibás tézist, hogy nem lehet olyan periodikusan működő gépet készíteni, ami a környezet hő rovására hasznos energiát képes termelni.

Y, Az itt bemutatott hűtési eljárás a hűtésnél magába szívott hőenergiát, a folyadék-halmazállapotú munkaközeg párolgási hőenergiaigénye veszi fel, ezért a környezeti hőtől független, tehát bármilyen hőmérsékleten gazdaságosan képes hűteni. Összességében elmondható, hogy a magába szívott energiát munkává alakítja.

X. A termodinamika 2. főtételébe szerintem hibásan beleértelmezték, hogy nem lehet olyan folyamatosan működő gépet csinálni, amely a környezeti hő rovására hasznos energiát hoz létre. Ezt egy T-s diagramban szokták illusztrálni. Ez a 3. ábra Pp+Co rajzán látható. A Pp kisebb elől lévő téglalap a hőerőgép Carnot körfolyamata, a mögötte lévő Co nagyobb téglalap a hűtőé. A téglalapok területe a munka nagyságával arányos. Tehát a hűtő nagyobb munkaigényű mint a hőerőgéppel megtermelhető munka. Értelmetlen, veszteséges.

Y. Az általam kidolgozott környezeti hő hasznosítására alkalmas eljárás a 3. ábra A, B, C. rajzán látható. A Co/Pp, vagy CoPp hűtőerőforrás az 1. és 4. ábrán látható eljárás Carnot egyenértékű téglalapja, a Pp pedig a ráépített hőerőgépek által megtermelhető munkát illusztráló téglalap.  Az A rajzonegy magas hőmérsékletű Co/Pp hűtőerőforrás, B rajzonközépmagas CoPp+ Pp integrált hűtőerőforrás és ráépített hőerőgép, C rajzon Co/Pp+2*Pp hűtőerőforrás és 2 darab ráépített hőerőgép látható.

Felismerésig vezető út:

Mivel a hő energiája a melegebbtől a hidegebb felé áramlik a hőerőgépnek környezeti hő alatti hőmérsékleten kell az eljárást végrehajtania.

Hagyományos hőerőművi eljárás során a fáradt gőzt környezeti hővel hűtik és nyomással sűrítik a legnagyobb sűrűségre, az az folyékony halmazállapotra. Ez a folyamat környezeti hő alatt működő hőerőgép esetén nem jöhet számításba, mert a hűtéshez szükséges hagyományos hűtőgép nagyobb energiát emésztene fel, mind a megtermelt energia. Tehát a hűtést környezeti hőtől függetlenül kell megoldani.

Legnagyobb hűtőhatást a folyékony munkaközeg forrása, vagy más néven párolgáshő tudja kifejteni. Ezért a termodinamikai vegyesmezőben -folyadék, gőz- kezdtem kutatni.

• Az 1. ábrán következő lépéseket figyeltem meg:
  • a. A magas hőmérsékletű, nagy nyomású gáz adiabatikusan expandál és ezáltal veszti hőmérsékletét és nyomását. 1 pontból 2 pontba kerül.  A folyamat alatt a munkaközeg egy része lecsapódik, a maradék gőzhalmazállapotban hűl és tágul. A folyamat végére folyadék energiája annyival lesz kisebb, mint a gőz energiája nagyobb, de összességében a keletkezett munkával kisebb. Az alacsony energiaszintű folyadék feladata, hogy hűtőhatást biztosítson a gőz visszakomprimálásához.
  • b. Ha az előre meghatározott mennyiségű 0 folyadékot és a 4 magasabb hőmérsékletre komprimált gőzt a keverő hengerbe betöltjük, akkor instabil állapot keletkezik. A folyadék elkezd párologni és forráshőjével azonos hőt von el a gőztől.  Az elpárolgott folyadék keveredik a gőzzel, ezáltal a gőz sűrűsége is növekszik, de elsősorban hűti a gőz halmazállapotú munkaközeget.

Felismerés

Ha a hőmérsékletesést komprimálással megakadályozzuk, a munkaközeg két okból is sűrűsödni kezd. Egyik a komprimálás miatt, a másik a kitágult, gőzzé vált folyadék tömegének növekedése miatt. Ez egy hűtőkör, amely a gőz munkaközeget visszaállítja az eredeti állapotba. Ezzel a módszerrel nincs szükség a teljes folyadék bekeverésére ahhoz, hogy az eredeti állapotba visszakomprimáljuk a gőz munkaközeget. A maradék folyadék szabadon hasznosítható.

2. Az alapeljárás lépései, az igénypont magyarázata, hűtőhatás, hűtőerőforrás

Az 1. ábrán látható folyamatos vonallal jelölt téglalap az alapeljárás. Ez az alapeljárás, az újdonság, az igénypont lényege, A későbbi példák csak az alapeljárás felhasználhatóságának illusztrálására szolgál és a technika jelenlegi állása mellet is ismert.

A diagram sematikus ábrája a következő rajz

A téglalap lépései:

a. 1-2 expanzió ahhoz szükséges, hogy a munkaközeget folyadékra és gőz halmazállapotra bontsa, és itt történik a hő munkává alakítása. Az 1-2 folyamat alatt a munkaközeg végighalad az 1-0, és 1-3 telítettségi görbén és 0 folyadékra, valamint 3 gőzre bomlik.

b. 3-4 Instabil állapot létrehozása. Lényege, hogy magasabb hőmérsékletre kerüljön a 4 gőz halmazállapotú munkaközeg, ezáltal biztosítva a hengerbe töltött 0 folyadék párologtatásához szükséges hőenergiát. Példánkban adiabatikus kompresszióval történik a művelet. A folyamat alatt a gőz hőmérséklete és a nyomása megnövekszik.

c. 4-1 Keveredéssel egybekötött kompresszióval, tehát megfelelő mennyiségű 0 folyadék, valamint a 4 gőz 401 hengerbe töltésével és a dugattyú tolásával a gőz hőmérsékletesése megakadályozható, és a gőz sűrűsödik. A magasabb kőmérsékletű 4 gőz és az alacsonyabb hőmérsékletű 0 folyadék instabil állapotot hoz létre. A 4 gőz hűlne a 0 folyadék párologna. Ha annyit nyomunk össze a dugattyúval, hogy a kőmérséklet állandó maradjon, tehát fenntartjuk az instabil állapotot a párolgási folyamat alatt, akkor a keverék elérheti az 1 pontot.  Jól beállított 0 folyadék és gőz tömegarány esetén az összes folyadék elpárolog és a keletkezett gőz elkeveredik a 4 gőzzel. Ezáltal homogén, stabil állapotú 1 gőz keletkezik.

Az 1, ábrán látható folyamatnál 2 kg munkaközeget használtam, mert az első lépésben ketté oszlik 1 kg folyadékká és 1 Kg gőzzé, ezáltal igy hasonlít legjobban az 1 KJ/kg*K-es T-s diagramhoz. Az illusztrált téglalap a legjobb követhetőség miatt téglalap, egyébként a 2-3 vonal kivételével mind politropikus is lehet.

A kőrfolyamat sajátosságai:

• A 3 gőz 1 pontba visszaállításához nincs szükség az összes folyadékra. Ez a hűtőhatás és erőforrás szempontjából meghatározó!
• Az eljárás alatt hűtőhatás nem keletkezik. Azt a maradék folyadék fogja létrehozni.
• A 2-3-4 szakaszban a munkaközeg egyértelműen 1Kg. A 4-1 folyamat végére már számottevően több munkaközeg lesz a hengerben, de emiatt viszont a sűrűsége is növekszik. Bizonyíthatóan 1kg komprimálásával kell számolni munka szempontjából, függetlenül attól, hogy a munkaközeg gőz tömege folyamatosan növekszik.
• Az 1 pontban már a bekevert folyadék tömegével több lesz a gőz munkaközeg tömege, viszont a munka számítása érdekében megosztható. Elméleti szempontból praktikusan 1kg-ra és W12H maradékra érdemes bontani, ezáltal a téglalap 1-2 szakasza is 1 kg ezért területe W3=ΔT*Δs szorzat egyértelműen megadja a folyamathoz szükséges munka értékét. Ebből kell levonni az adiabatikus expanzió W12H maradék tömegarányos munkáját. Ezáltal pontos összeget kapunk a befektetendő munka mennyiségéről. Z tömeg megegyezik a bekevert folyadék tömegével, tehát W12H =ΔH(12)*Z(Kg)

A hűtőhatás:

A hűtést és a hasznos energiatermelést a 0 nem bekevert, maradék folyadék halmazállapotú munkaközeg végzi. A különbféle felhasználási módok az 1. ábrán különbféle szaggatott vonallal vannak ábrázolva.

• Legegyszerűbb a Cool, közép magas hűtés. Ekkor a folyadék az 0-2 vonalon kerül elpárologtatásra.  A folyamat praktikusan egy hőcserélőben zajlik le, a telített gőz állapotig és csak a fele tömeg áramlik át rajta. A maradék folyadék továbbra is a gyűjtő tartályban marad, ezáltal megőrizve a 2 állapotnak megfelelő tömegarányt. Ebben az esetben a hűtő működtetéséhez a folyamatos vonallal jelzett és ismertetett              W3- W12H munkát igényel a hűtés.
• Cool- Alsó hűtésről akkor beszélhetünk, ha a munkaközeget a 0-8-9-2 vonalon vezetjük végig, az előbb említett módon. Ekkor az előbbihez képest alacsonyabb hőmérsékleten hűt, de a munkaigénye W4+W3- W12H, tehát nagyobb.
• Co/Pp felső hűtésnél a folyadékot az 0-6-7-2 vonalon vezetjük végig Ekkor viszont a W1-W3+ W12H munkát ad le a folyamat, mert a W1 tömegarányos terület nagyobb mind a   W3- W12H munka igény. Ekkor beszélhetünk hűtőerőforrásról. Ez egy hagyományosan elfogadott erőművi eljárás. A 1.ábrán Pp-vel van jelölve és szaggatott vonallal van elválasztva a Co alap eljárástól.
• És van a mobil hűtő amikor a W3- W12H =W5. Nem fogyaszt, nem termel. A megtermelt munkát működéséhez fel is használja. Ez azt jelenti, hogy egy légkondicionálót bárhol letehetünk hűt magától, elméletileg nem kell villamos hálózathoz kötni.      A munkaközeg helyes megválasztásával a környezeti hő alatti hőmérséklet tartományban bárhol működhet. Az eljárás ciklikus ismételgetésével folyamatos hűtés biztosítható.

A szabadalom tárgyának előnyei:

• a. Bármilyen hőmérsékleten képes hűteni.
• b. Közvetve energia tárolásra is alkalmas
• c. Gázok folyékony halmazállapotba hozására és tárolására is alkalmas. Például levegő.
• d. Gázok frakcionálási desztillációjára is alkalmas.
• e. Háztartási és ipari hűtést igénylő technológiák hűtője lehet
• f.  Erőművek alap gépe lehet.
• g. Erőforrás lehet.
• h. stb.

Hűtési eljárás ismertetésére.

A körfolyamatot megvalósító hűtőeljárás az 1. ábrán látható T-s diagramon és a 2. ábra sematikus rajzán követhető az alábbi leírás segítségével. Ez a 3. ábrán látható A példa, a Co/Pp.

1. Az 1 pontban lévő induló állapotú munkaközeg E12 expanziós gépben adiabatikusan expandál a kívánt nyomásig és hőmérsékletig, ezáltal 2 vegyes halmazállapotba kerül, 0 folyadékra és 3 gőzre oszlik.

2. A 0 folyadék halmazállapotú munkaközeg elválasztásra kerül a 3 gőz halmazállapotútól egy 230 ülepítő tartályban.

3. A 3 gőz összenyomással, adiabatikus kompresszióval C34 kompressziós gépben felmelegítésre kerül, a meghatározott 4 hőmérsékletre és nyomásra.

4. A 4 gőz és a C00’ kompressziós géppel azonosnyomásra komprimált 0’ folyadék megfelelő tömegarányban betolásra, célszerűen beporlasztásra kerül a C401kopresszós gép hengerébe és megkezdődik a keveredés. A keveredéssel egyidejűleg a C401 kompressziós gép úgy komprimálja a vegyesfázisú munkaközeget, hogy a gőz hőmérséklete állandó maradjon.

5. Az alább feltüntetett paraméterek esetén a csökkenő térfogatú C401 hengerben megnövekedett tömegű gőz munkaközeg kettős hatása miatt nagynyomású 1 gőz állapotba kerül vissza. A C401 henger nagy valószínűséggel lassabb üzemű lesz a többi gépegységnél, ezért várhatóan több darabra is szükség lehet egy gépen belül. Ezért érdemes beépíteni a P puffer tartályokat.

A fenti 1-2-3-4-1 pontokkal bemutatott körfolyamat a W3 az alap eljárás. A szabadalom tárgya. Lényege, hogy ebben az esetben nem a környezet végez hűtést a gőz fázisú munkaközeg visszakomprimálásánál, hanem a C401-ben elpárolgó folyadék fázisú munkaközeg.

6/1.  A 2. fejezet 3. bekezdése szerint a 0 maradék folyadék egy hőcserélőn keresztül kerül kiexpandálásra, ahol a hőcserélő másik oldalán keletkezik a hűtőhatás.

6/2.   A maradék 0 folyadék egy expanziós gépben, vagy fojtószelepen keresztül kerül további kiexpandálásra és utána halad át a hőcserélőn. Ezáltal alacsonyabb hőmérsékleten képes hűteni. 

6/3.  A megmaradt 0 állapotú folyadék C06 adiabatikus kompresszió után 6 állapotból állandó nyomáson, Q67 hőcserélőben külső hőenergiabevitellel 7 állapotba kerül. A 7 nagynyomású telített gőz energiáját E72 expanziós gép munkává alakítja és 2 állapotban, vegyes fázisként a 230 tartályba tölti.Ez a körfolyamat a W1, ahol a hasznos energia keletkezik. Ez egy jelenleg is általánosan elfogadott erőművi eljárás.          A fent említett ciklikusan ismétlődő folyamatban minden egyes ciklusban a 6-7, pontok között Q67 hőcserélő által környezetből hőenergia elvonás, tehát hűtés történik. Az elméleti számitások szerint, parahidrogén munkaközeggel számolva az 1kg munkaközegből 0,23 Kg folyadék bekeverésére van szükség a 0,5 kg 4 gőz 1 állapotába visszakomprimáláshoz. A maradék 0,27 Kg folyadék szabadon hasznosítható. Hűtőhatása S=3 KJ/Kg,K  és a folyadék kihasználásától függően W= 0-35 KJ/kg,ciklus hasznos munkát képes végezni. Az 1.ábrán látható W1 egy ilyen eljárást ábrázol és 31 KJ/kg,ciklus a hasznos munkavégzése. Ha másodpercenként 1 ciklust végez akkor 31 KW a teljesítménye, 31 KW/h energiát termel. Az alábbi táblázatban a példában szereplő munkapontok értékei megtalálhatók. Ez alapján a gép megépíthető és a veszteségek figyelembevételével korrigálhatók. 

A táblázat adatai a NIST:  https://webbook.nist.gov/chemistry/fluid/
„Thermophysical Properties of Fluid Systems” adatbázisból származnak

Érdemes megfigyelni, hogy a szaggatott vonallal elválasztott egységek közül a Pp egy hagyományos erőmű, a Co pedig a 3 gőz 1 állapotba visszaállítását végzi.

Az itt említett eljárás ismertetésével együtt bemutatásra került az alapeljárás, és a hűtési mód.

A továbbiakban olyan beállításokat láthatunk, amelyeknek különböző igényeket kell kielégíteni, ezzel rámutatva az eljárás sokoldalúságára. Mindegyik változatában felfedezhető az alapeljárás. W3 jelzéssel van megjelölve.

3. Példák a felhasználásra

A. Jármű, háztartási, indító erőforrás és hűtőgép

Ebben a példában egy fejlettebb hűtőerőforrás kerül bemutatásra. Ez az integrált hűtőerőforrás. Jele CoPp. Fontos, hogy olyan lehetőleg egyszerű, indítható, leállítható berendezés legyen, ahol szakszemélyzet nem áll rendelkezésre. Ezt azzal éri el, hogy a környezeti hőmérséklethez közeli hőmérsékleten dolgozik, ezért a leállított gép, például R13-as munkaközege normál hőmérsékleti körülmények között is tárolható. Gépjárműben 70C⁰ -on is 60 bár alatt van a munkaközeg tárolótartály nyomása.

Az eljárás a 4.ábrán látható T-S diagrammon, valamint 5. ábrán lévő sematikus rajzon látható.

Fő jellegzetessége, hogy nem közvetlenül a maradék folyadékot használja fel munkavégzésre, mint a korábbi példában, hanem a gőzmunkaközeg végez munkát és a folyadék csak 6-1 szakaszban az entrópia csökkentést végzi. Ebben az esetben érdemes a körfolyamatot a 2 pontól kedve vizsgálni. A 3 gőz a 3-4-5-6-1-2 állapotváltozásokon halad végig. A 0 folyadék csak a 6-1 szakaszon avatkozik be, mint a keveredés egyik eleme. Munka szempontjából a 6-X szakaszt a W1 körfolyamathoz érdemes beszámítani, ezáltal a téglalp záródik és igy a W1 terület meghatározza a hasznos munka nagyságát. Értelemszerűen az X-1 szakaszt pedig a W3 körfolyamathoz érdemes számolni. Számítások szerint körülbelül 20%-nál is kevesebb folyadék elegendő a 6 fáradt gőz vissza komprimálásához.

Az 5.ábrán látható sematikus rajz a fentiekben ismertetett eljárást megvalósító gépet mutatja be. A 230 ülepítő tartályban lévő 2 állapotú munkaközeg 3 gőzét a C34 kompressziós gép a kívánt 4 hőmérsékletre és nyomásra sűríti. A E45 Izotherm expanziós gép 4 nagy nyomású gőzt 5 kiexpandálja és ezáltal hasznos munkát végez. Az izotherm folyamathoz szükséges hőenergiát egy Q hőcserélőn keresztül környezeti hőenergia táplálja. Ezzel természetesen a környezetet hűti, tehát hűtőgépként is működik. Következő lépésben 5 állapotú munkaközeget E56 expanziós gép 6 állapotba expandálja, adiabatikus expanzióval. Ekkor szintén hasznos munka keletkezik. A 6 állapotból 1 állapotba visszakomprimálás, E061 a már korábban tárgyalt kompresszióval egybekötött keveredéssel kerül megvalósításra. Végül 1 állapotból 2 állapotba E12 adiabatikus expanziós gépen keresztül jut vissza a 230 ülepítő tartályba.

Az 5. ábra és a fenti leírás a B példában is ugyan az, ezért ott külön nem tárgyaljuk.

Alkalmazkodása a környezeti hőmérséklethez abban nyilvánul meg, hogy a 4-5 szakasz hőmérséklet változtatásával a folyamat a környezeti hőmérséklethez igazítható. 4. ábrán látható 240 K⁰-os beállításával hőcserélőtől függően körülbelül -23 C⁰-os környezeti hőmérséklet esetén még 100 %-os teljesítménnyel képes működni. Előfordulhat, hogy magasabb hőmérsékletű hulladék hőt kívánunk vele hasznosítani. Például hagyományos hőerőmű 60 C⁰-os fáradtgőzét akarjuk felhasználni, akkor a 3-4’-5’-6 magasabb hőmérsékleten vezetjük végig a folyamatot. Ez esetben sokkal nagyobb hatásfokú hűtőerőforráshoz jutunk.

Szabályozásról általában el lehet mondani, hogy leginkább a folyadék-gőz arány változtatásával lehet hűtésre, vagy energiaforrásra optimalizálni. Ez praktikusan a telitett gőz határgörbe vonalán való 1 pont C változtatásával oldható meg.

Alsó hűtésre is képes azáltal, hogy a 1-2 szakaszt magasabb hőmérsékletére, 1’-2’ szabályozzuk. Az új beállításnál már keletkezik annyi tartalék folyadék, hogy a 10-11 alsó hűtést megvalósítsa. Energetikai szempontból erre akkor lehet szükség, ha alacsonyabb hőmérsékleten működő hűtő erőforrást kívánunk elindítani, mint például a következő példában, vagy a gép leállásakor.  Ebben az esetben a szabályozás a maximális alsó hűtésig szabályoz, és a lehető legtöbb folyékony munkaközeget egy jól szigetelt duplafalú tartályba tárolja. A belső tartály folyadékot, külső gőzt tartalmaz. Amennyiben a gőz hőmérséklete a beállított hőmérsékletet eléri a folyadék tartályból egy expanziós szelep valamennyi folyadékot befecskendez a gáz térbe és ezáltal visszahűti a gőzt. Ezzel a módszerrel akár több hónapig is leállított állapotban maradhat a hűtőerőforrás.

B.  Repülőgép erőforrás, törpeerőmű

Célja olyan erőforrás, amely -60 C⁰-on is biztonságosan képes hasznos energiát termelni. A 7. ábrán látható oxigén munkaközeggel összeállított eljárás alapgépe teljesen megegyezik az A, példában szereplővel, ezért ott lehet megismerni azt. A különbség, hogy a ráépített hagyományos erőművi eljárások valamelyikével több.

A repülő és egyéb nehézgépekben fontos az indíthatóság ezért erre az eljárásra egy az előző példában bemutatásra került jármű hűtőerőforrást is alkalmaz indító gépként. A repülőgép esetén amikor a hőmérséklet nem engedi a járműerőforrás működését, akkor leáll és csak a repülőgép erőforrásával üzemel tovább.

A törpeerőmű szintén ugyanezt az oxigénnel működtetett alapgépet használja, de a 5. ábrán látható erőművi eljárással együtt működve, így a 3. ábra B rajz He és Pp eljárások összege adja az összteljesítményt. Az alapgép hűtőhatása teszi lehetővé az erőművi eljárás alkalmazhatóságát azáltal, hogy az alapgép M-N hűtőhatásával az R22 munkaközeget alkalmazó Pp eljárás M-N szakaszban történő fáradtgőz visszacseppfolyósítását végzi. Ezáltal a kazán helyett hőcserélő végezheti a nagynyomású telített gőz létrehozását. Ez a környezeti hő hasznosítására alkalmas eljárás másik változta.

C. Nagyerőmű

A fent ismertetett Co/Pp és CoPp is lehet nagyerőmű alapgépe. Ebben a példában egy 2. ábrán látható parahidrogén munkaközegű Co/Pp alapgép és felette pedig nitrogén és oxigén munkaközegekkel megvalósított hagyományos Pp erőművi eljárásokat láthatunk.

A munkaközegek aránya megfelel a levegő arányának. Az alapgép elsődleges feladata a nitrogén és oxigén visszakondenzálása Azért az 1. ábrán látható Co/Pp alapgéppel érdemes a nagyerőművet működtetni, mert a fűtő levegőt is le tudja kondenzálni, ugyanis, ha a rendszer hőellátása levegővel történik, az ellenhatás miatt a fűtő levegő hűl. A „forró” -13 C⁰-os fűtő levegő -186 C⁰-osra csökken. Innen egy másik Co/Pp alapgéppel a fűtőlevegőt is le lehet kondenzálni az így kialakult folyékony levegőt egy másodlagos erőmű újra hasznosíthatja. És ez többször ismételhető. Amennyiben az erőmű teljes teljesítményére nincs szükség, a lekondenzált levegőt alapgéppel hűtve tároló tartályokban energia tárolásra lehet használni.

Megjegyzések:

• A bemutatott eljárás statikus üzemre vonatkozik, mert az eljárás bemutatása szempontjából jobban követhető. A gyakorlatban nagy valószínűséggel a keverőhengerbe a folyadékot beporlasztással kell benyomni, hogy a folyamat felgyorsuljon és a ciklusidő csökkenjen, vagy például a 2 ábra C34, C401 egy gépelem. A 4 gőzt hirtelen összekomprimálja a dugattyú és folyadék beporlasztással tovább sűríti az 1 állapotig stb.
• Előzetes számításaim szerint az 1-2 expanziós gép helyett a hűtéstechnikában alkalmazott expanzió szelepes megoldással is működhet, de hatásfoka messze elmarad az itt ismertetett eljárástól. Egyedül nagy tömegben gyártott háztartási hűtőgépeknél lehet gyártástechnológiai okok miatt létjogosultsága.
• Környezeti hő minden felhasználásra alkalmas hő lehet, beleértve folyók. tenger, erőművek,égető kemencék kommunális hulladék stb. hulladékhője.
• A leírásban, de még a számításoknál sem vettem figyelembe a folyadék térfogatát, mert nagysága elhanyagolható a gőzéhez képest. Ráadásul folyamatos befecskendezéses üzemben nem is foglal helyet a hengerben.
• Mivel a bemutatásra került példákban a keveredéssel egybekötött kompresszió szakaszában izotermikus folyamatot választottam, ezért a szabályozásnak a hengerben uralkodó hőmérsékletet kell figyelnie, ami elég körülményes, mert a keveredés nem molekuláris szinten történik. Helyi hőmérsékletkülönbségek alakulhatnak ki. Ezért érdemes a nyomás görbét felvenni és inkább a dugattyú tolását a nyomás függvényében szabályozni.
• Az eljárások, ahol lehet, azért téglalap alakúak, mert a keletkezett munkát könnyen lehet számolni és ezért könnyebben érthető.

Szabadalmi igénypontok magyarázata

1. Eljárás hűtésre és környezeti hő hasznosítására egy termodinamikai gépben végrehajtva, azzal jellemezve, hogy

a) gőzzel expanziót végezünk a vegyes halmazállapotú mezőben,

b) a nedves gőz halmazállapotú munkaközeget halmazállapot szerint folyadék és gőz összetevőkre választjuk szét,

c) gőz hőmérséklet emelést hajtunk végre,

d) kompresszióval egybekötött gőz, folyadék keverést hajtunk végre,

e) az a)-d) körfolyamatot ciklikusan ismételjük.

    1. ábra W3 körfolyamat,  cseppfolyósító

2. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy

a) a nedves gőz halmazállapotú munkaközeget expandáltatjuk (1-2),

b) a nedves gőz halmazállapotú munkaközeget halmazállapot szerint folyadék (0) és gőz (3) összetevőkre választjuk szét,

c) adiabatikus kompresszióval növeljük a gőz (4) halmazállapotú munkaközeg hőmérsékletét (3-4) és instabil állapotot hozunk létre,

d) a folyadék (0) és gőz (4) munkaközegeket keveredéssel egybekötött kompressziónak (4-1) vetjük alá, amely során a kompresszióval a gőz (4) hőmérsékletét állandó értéken tartjuk és a folyadékot (0) elpárologtatva stabil állapotú gőzt (1) hozunk létre,

e) a maradék (0) folyadékot hasznosítjuk és

f) az eljárás ciklikusan ismételjük.

       1.  ábra egésze: cseppfolyósító, hűtő (Co), Hűtőerőforrás (Co/Pp)

3. A 2. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a d) lépésben a maradék folyadékot (0) hőcserélőben nedves gőz (2) állapotig elpárologtatva hűtőgép üzemmódot állítunk.

hűtőgép

4. Az 2. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az e) lépésben a maradék folyadékot (0) expanziós gépben, vagy fojtószelepen keresztül kiexpandáljuk és hőcserélőn keresztül a nedves gőz (2) állapotig elpárologtatjuk, majd kompresszióval kezdeti nyomásra (2) visszaállítjuk.

    mélyhűtő

5. Az 2. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az e) lépésben a maradék folyadékot (0) kompresszorral (C06) egy hőcserélőbe betoljuk (6); a hőcserélőben (Q67) külső hőbevitellel magasabb hőmérsékletű és nyomású, túlhevített gőzzé (7) alakítjuk; a túlhevített gőzt (7) expanderben (E72) munkává alakítjuk; majd a nedves gőzt (2) további felhasználás céljából tartályba vezetjük (230).

   hűtőerőforrás Co/Pp

6. Eljárás integrált hűtőerőforrás működtetésére az 1. igénypont szerinti eljárás lefolytatásával, azzal jellemezve, hogy

a) a munkaközeg (2) gőzét (4) adott hőmérsékletre és nyomásra sűrítjük,

b) a gőzt (4) környezeti hőenergia bevitele mellett izotermikusan expandáltatjuk (4-5),

c) a munkaközeget (5) adiabatikusan expandáljuk (5-6),

d) a munkaközeget (6) keveredéssel egybekötött kompressziónak vetjük alá (6-1), és

e) a munkaközeget (1) adiabatikusan expandáljuk (1-2).

      6. ábra W3 integrált

7. Eljárás törpeerőmű működtetésére a 6. igénypont szerinti eljárás lefolytatásával, azzal jellemezve, hogy a hőcserélő (Q) hűtőhatásával a ráépített erőművi eljárás fáradt gőztét (M-N) lekondenzáljuk.

     hűtőerőforrás alapgép és erőmű CoPp

8. Eljárás nagyerőmű működtetésére a 2. igénypont szerinti eljárás lefolytatásával, azzal jellemezve, hogy a ráépített erőművi eljárás fáradt gőzét Co/Pp hűtőerőforrással végezzük.

     nagyerőmű