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Klimaerwärmung und Technische Thermodynamik
Seit der Erfindung der Dampfmaschine durch James Watt hat sich mit der Industriellen Revolution die Technologie der Wärmekraftmaschine ständig
weiter entwickelt und in der Leistungsfähigkeit mit dem Einsatz von Gas -und Dampfturbinen gravierend gesteigert.
Was aber mittelalterlich blieb, ist der Verbrauch von Fossilen Brennstoffen, insbesondere von Gas -und Mineralöl und damit auch das
thermische Verdichtungsprinzip der Dampfmaschine unter Einsatz von Brennstoffen den erforderlichen Druck der Kraftquelle aufzuladen.
Bei der Dampfmaschine ist das primär der sog. Dampfkessel, der durch Zufuhr von bereit stehender Energie in Form leicht zugänglicher
Brennstoffe wie Holz, Kohle, Erdöl und Erdgas auf Druck gebracht wird und diesen dann über eine Kolben-Zylinder-Kombination in periodische Kraftstösse umwandelt, die dann zum Betrieb weiterer Arbeitsgeräte dienen.
Die dazu gehörige Lehre von der Wärmekraft-Umwandlung hat es aber seit James Watt nicht geschafft, das Prinzip des Aktiven Verdichters auf eine allgemein verbindliche Grundlage zu stellen, um vor allem seine Stärken und Schwächen deutlich herauszuarbeiten.
Die Frage, warum eigentlich der Gasverdichtungsprozess nur unter Aufwand von Arbeit möglich ist, denn auch die Brennstoffe der
Dampfmaschine müssen ja mal unter Mitwirkung von Solarenergie erzeugt worden sein - wurde bisher nicht klar formuliert oder hinterfragt.
Tatsächlich funktionieren die Dampfmaschine und ihre Nachfolger, die Verbrennungs-Motoren nur deshalb, weil eben keine technische
Arbeit für den Druckgewinn anfällt.
Und es ist doch naheliegend hier zu überlegen, ob das nicht auch ein grundlegendes Naturprinzip darstellt, das sich nur aus Mangel
an Gelegenheit (wegen der leicht zugänglichen Brennstoffe) nicht näher zu erkennen geben musste.
Das nötige und konsequente Nachhaken vorausgesetzt.
Also auf den Punkt gebracht:
Muss man wirklich eine Arbeit aufbringen, um einen Wärmekraft-Pol zu laden - oder genügt es, diese Anforderung einfach auf das Ende
des Umwandlungsvorgangs zu verschieben, wie es doch auch bei den Brennstoffen der Fall ist, die am Ende der solaren Energieübertragung stehen?
In der Praxis hiesse das, zunächst eine bestimmte vorhandene Gasmenge in ein geschlossenes Gefäss zu bringen, um es dort durch
stetige Verminderung des Volumens auf Höheren Druck zu verdichten.
Nehmen wir dazu nur einen Zylinder mit verschiebbarer Kolbenwand, würde ein Widerstand aus der Duckdifferenz zwischen dem
Gas im Zylinder und dem äusseren Luftdruck entstehen und folglich eine Druckänderungs-Arbeit nötig sein.
Um das zu vermeiden, kann man das Gas aber in einem zylidrischen Rohr zwischen 2 beweglichen Kolbenwänden einsperren und
an den beidseitig heraussragenden Kolbenstangen einen Antrieb anschliessen, der das Kolbenpaar nun so verschiebt, dass sich der Abstand zwischen den Kolbenflächen veringert, bis der erwünschte Hochdruck des Gases erreicht ist.
Das wäre dann die Position, wo sich ein Ventil im Zylindermantel öffnet und das HD-Gas in den Kessel entlässt.
Warum sollte nun (im Idealfall) keine GAS-Verdichtungsarbeit mehr nötig sein?
Ganz einfach:
Das Gas steht während des Verdichtungstaktes unter 2 konträren Beschleunigungskräften:
Kolben K1 nähert sich dem zurückweichenden Kolben K2 und verringert das Gasvolumen ,was zu dessen Erwärmung führt
Kolben K2 weicht zurück, auch vor den durch K1 angeschobenen Gasmolekülen und dämpft deren Reflexion an seiner Kolbenwand,
was zur expansiven Abkühlung des mitlaufenden Gaskörpers führt - beide Tendenzen auf die Kurblewelle zurückgespeist, bedeuten
Summe der GAS-Beschleunigungskräfte und Energien Gleich Null.
Das geht aber nur, wenn die Wege des Verfolgerkolbens und des Fluchtkolbens fast gleich lang sind und sich nur um die Differenz ds
unterscheiden, was einen unendlich langen Rohrzylinder ergibt.
Man kann nun mathematisch zeigen, dass bei endlich langen Wegen mit den Längenunterschiednen 1:2; 2:3; 3:4; 4:5 bis n-1/n
die Verluste durch Erwärmug auf ganz geringe Prozentzahlen zurückgehen, in der Praxis bei vertretbaren Rohrlängen etwa 3/4 bis 4/5
und damit eine nahezu energiefreie sog. NULL-Energie-Verdichtung eintritt.
Das Gas erwärmt sich nur geringfügig trotz seines Hohen Drucks, kann nun durch Expansion im separaten Expansions-Zylinder unter
Abkühlung eine Arbeit leisten und danach von der Umgebungswärme wieder auf die Anfagstemperatur T(0) erwärmt werden.
Die Umgebung kühlt dadurch ab und wird aber beim Verbraucher durch dessen Reibungswärme wieder erwärmt - was summarisch
gleich einer thermischen Umweltbelastung von DELTA-T=0 entspricht.
Seit der Erfindung der Dampfmaschine durch James Watt hat sich mit der Industriellen Revolution die Technologie der Wärmekraftmaschine ständig
weiter entwickelt und in der Leistungsfähigkeit mit dem Einsatz von Gas -und Dampfturbinen gravierend gesteigert.
Was aber mittelalterlich blieb, ist der Verbrauch von Fossilen Brennstoffen, insbesondere von Gas -und Mineralöl und damit auch das
thermische Verdichtungsprinzip der Dampfmaschine unter Einsatz von Brennstoffen den erforderlichen Druck der Kraftquelle aufzuladen.
Bei der Dampfmaschine ist das primär der sog. Dampfkessel, der durch Zufuhr von bereit stehender Energie in Form leicht zugänglicher
Brennstoffe wie Holz, Kohle, Erdöl und Erdgas auf Druck gebracht wird und diesen dann über eine Kolben-Zylinder-Kombination in periodische Kraftstösse umwandelt, die dann zum Betrieb weiterer Arbeitsgeräte dienen.
Die dazu gehörige Lehre von der Wärmekraft-Umwandlung hat es aber seit James Watt nicht geschafft, das Prinzip des Aktiven Verdichters auf eine allgemein verbindliche Grundlage zu stellen, um vor allem seine Stärken und Schwächen deutlich herauszuarbeiten.
Die Frage, warum eigentlich der Gasverdichtungsprozess nur unter Aufwand von Arbeit möglich ist, denn auch die Brennstoffe der
Dampfmaschine müssen ja mal unter Mitwirkung von Solarenergie erzeugt worden sein - wurde bisher nicht klar formuliert oder hinterfragt.
Tatsächlich funktionieren die Dampfmaschine und ihre Nachfolger, die Verbrennungs-Motoren nur deshalb, weil eben keine technische
Arbeit für den Druckgewinn anfällt.
Und es ist doch naheliegend hier zu überlegen, ob das nicht auch ein grundlegendes Naturprinzip darstellt, das sich nur aus Mangel
an Gelegenheit (wegen der leicht zugänglichen Brennstoffe) nicht näher zu erkennen geben musste.
Das nötige und konsequente Nachhaken vorausgesetzt.
Also auf den Punkt gebracht:
Muss man wirklich eine Arbeit aufbringen, um einen Wärmekraft-Pol zu laden - oder genügt es, diese Anforderung einfach auf das Ende
des Umwandlungsvorgangs zu verschieben, wie es doch auch bei den Brennstoffen der Fall ist, die am Ende der solaren Energieübertragung stehen?
In der Praxis hiesse das, zunächst eine bestimmte vorhandene Gasmenge in ein geschlossenes Gefäss zu bringen, um es dort durch
stetige Verminderung des Volumens auf Höheren Druck zu verdichten.
Nehmen wir dazu nur einen Zylinder mit verschiebbarer Kolbenwand, würde ein Widerstand aus der Duckdifferenz zwischen dem
Gas im Zylinder und dem äusseren Luftdruck entstehen und folglich eine Druckänderungs-Arbeit nötig sein.
Um das zu vermeiden, kann man das Gas aber in einem zylidrischen Rohr zwischen 2 beweglichen Kolbenwänden einsperren und
an den beidseitig heraussragenden Kolbenstangen einen Antrieb anschliessen, der das Kolbenpaar nun so verschiebt, dass sich der Abstand zwischen den Kolbenflächen veringert, bis der erwünschte Hochdruck des Gases erreicht ist.
Das wäre dann die Position, wo sich ein Ventil im Zylindermantel öffnet und das HD-Gas in den Kessel entlässt.
Warum sollte nun (im Idealfall) keine GAS-Verdichtungsarbeit mehr nötig sein?
Ganz einfach:
Das Gas steht während des Verdichtungstaktes unter 2 konträren Beschleunigungskräften:
Kolben K1 nähert sich dem zurückweichenden Kolben K2 und verringert das Gasvolumen ,was zu dessen Erwärmung führt
Kolben K2 weicht zurück, auch vor den durch K1 angeschobenen Gasmolekülen und dämpft deren Reflexion an seiner Kolbenwand,
was zur expansiven Abkühlung des mitlaufenden Gaskörpers führt - beide Tendenzen auf die Kurblewelle zurückgespeist, bedeuten
Summe der GAS-Beschleunigungskräfte und Energien Gleich Null.
Das geht aber nur, wenn die Wege des Verfolgerkolbens und des Fluchtkolbens fast gleich lang sind und sich nur um die Differenz ds
unterscheiden, was einen unendlich langen Rohrzylinder ergibt.
Man kann nun mathematisch zeigen, dass bei endlich langen Wegen mit den Längenunterschiednen 1:2; 2:3; 3:4; 4:5 bis n-1/n
die Verluste durch Erwärmug auf ganz geringe Prozentzahlen zurückgehen, in der Praxis bei vertretbaren Rohrlängen etwa 3/4 bis 4/5
und damit eine nahezu energiefreie sog. NULL-Energie-Verdichtung eintritt.
Das Gas erwärmt sich nur geringfügig trotz seines Hohen Drucks, kann nun durch Expansion im separaten Expansions-Zylinder unter
Abkühlung eine Arbeit leisten und danach von der Umgebungswärme wieder auf die Anfagstemperatur T(0) erwärmt werden.
Die Umgebung kühlt dadurch ab und wird aber beim Verbraucher durch dessen Reibungswärme wieder erwärmt - was summarisch
gleich einer thermischen Umweltbelastung von DELTA-T=0 entspricht.
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