Die hip-engine

Die hip-engine ist eine Wärmekraftmaschine mit einem neuen thermodynamischen Kreisprozess. Dabei handelt es sich um einen offenen Prozess. Das heißt, dass atmosphärische Luft (also Außenluft) angesaugt wird. Diese durchläuft die hip-engine unter Zuführung von Wärme und wird am Ende des Prozesses ausgestoßen. Wie bei allen Kreisprozessen, ist der Temperaturunterschied zwischen zwei Wärmeniveaus ausschlaggebend für den Wirkungsgrad. Das obere Temperaturniveau bildet die zu verwertende Abwärme, das tiefe Temperaturniveau ist durch die Außentemperatur gegeben. Da diese direkt in den Prozess eingeht, ergeben sich keine Verluste bei der Wärmeübertragung gegen das tiefe Niveau. Dadurch wird die maximale Spreizung zwischen dem hohen und tiefen Temperaturniveau nutzbar.

Zur Veranschaulichung hier drei Beispielrechnungen bei einer zur Verfügung stehenden Abwärme von 80°C, 150°C und 250°C (die Außentemperatur ist bei 20°C angenommen). Die schwarze Kurve zeigt den Verlauf des Wirkungsgrades, die rote den Verlauf des Energiegewinns. Beide sind angängig vom Arbeitsdruck, was in der realen Anwendung dem Druck im Wärmeübertrager entspricht. Der Energiegewinn ist ohne Einheit angegeben, da es den Verlauf für alle Wärmemengen aufzeigt, d.h. es gilt für alle Dimensionierungen der hip-engine.

Alle Graphen sind charakterisiert durch einen steigenden Wirkungsgrad bei zunehmenden Arbeitsdruck. Der Verlauf vom Energiegewinn ist stets durch ein Maximum, umgeben von zwei Nullstellen, charakterisiert. Das ist gut in der Abbildung für 80°C nachvollziehbar. Das Maximum vom Energiegewinn zeigt an, bei welchem Arbeitsdruck die maximale Wärme aus dem Wärmeübertrager entnommen werden kann. Das ist besonders dann interessant, wenn die hip-engine zur Kühlung eingesetzt wird. Wenn es besonders auf Effizienz ankommt, kann der Arbeitsdruck (auch im laufenden Betrieb) erhöht werden, dann sinkt die entnommene Wärme, allerdings wird die weniger entnommene Wärme dann bei einem höherem Wirkungsgrad umgesetzt. Die hip-engine muss dann etwas größer dimensioniert werden.

Abwärme bei 80°C

Der Verlauf vom Energiegewinn ist kompakt und hat ein Maximum bei ca. 140 kPa (d.h. 0,4 bar über Normaldruck). Der Wirkungsgrad am maximalen Energiegewinn liegt dann bei ca. 10%. Bei einem Arbeitsdruck von etwas mehr als 0,7 bar (174 kPa) sind auch 15% möglich.

Abwärme bei 150°C

Der Energiegewinn verläuft bei zunehmenden Temperaturen immer breiter. Bei 150°C verschiebt sich so das Maximum auf ca. 200 kPa (d.h. 1,0 bar über Normaldruck) bei einem Wirkungsgrad von ca. 20%. Bei einem überhöhten Druck von ca. 1,5 bar (250 kPa) werden 25% erreicht.

Abwärme bei 250°C

Der maximale Energiegewinn stellt sich unter einem Druck von ca. 320 kPa (d.h. 2,2 bar über Normaldruck) ein. Dabei wird ein Wirkungsgrad von 35% erreicht. Für noch höhere Wirkungsgrade steigen auch die Arbeitsdrücke weiter an.

Ist der Energiegewinn bei hohen Drücken gleich oder unter Null, dann ist dort der Wirkungsgrad eine rein theoretische Größe, ohne physikalische Aussage.

Zusammenfassend kann den theoretischen Daten entnommen werden, dass eine Nutzung von Abwärme bei 80°C bei einem Wirkungsgrad um 10% möglich ist. Dadurch ergeben sich für die hip-engine neben den bereits bekannten Abwärmepotentialen weitere Anwendungsfelder, bei denen z.B. Wasserdampf kondensiert werden muss. Damit kann die hip-engine als Anschlussprozess an Dampfturbinen die bisher nötigen Kühltürme ersetzen und den Gesamtwirkungsgrad dampfgetriebener Prozesse erhöhen. (mehr zu den Anwendungsfeldern)