AT404626B

AT404626B - Wärmekraftmaschine für niedertemperatur

Info

Publication number: AT404626B
Application number: AT19897A
Authority: AT
Inventors: Herbert Bachler
Original assignee: Herbert Bachler
Priority date: 1997-02-10
Filing date: 1997-02-10
Publication date: 1999-01-25
Also published as: WO1998035151A2; AU5846898A; WO1998035151A3; ATA19897A

Description

AT 404 626 B

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Niedertemperaturwärme, bestehend aus: zwei im wesentlichen senkrecht angeordneten Arbeitszylindem, die teilweise mit einer Arbeitsflüssigkeit gefüllt sind; einem Gasbehälter, der dazu bestimmt ist, auf einer höheren Temperatur gehalten zu werden; einem Gasbehälter der dazu bestimmt ist, auf einer tieferen Temperatur gehalten zu werden; einer Verbindungsleitung zwischen den Arbeitszylindem zum Überströmen der Arbeitsflüssigkeit zwischen den Arbeitszylindem; einem Kolben (Kl), der in der Verbindungsleitung angeordnet ist, um mechanische Arbeit aus der Bewegung der Arbeitsflüssigkeit zu gewinnen, wobei der Kolben (K1) vorzugsweise mit einem Linearge-nerator (L1) zusammenwirkt, um aus der Bewegung elektrische Energie zu erzeugen.

Niedertemperaturwärme steht beispielsweise aus Sonnenkollektoren, Biomasseöfen, Festbrennstoffkesseln und anderen Wärmequellen zur Verfügung. Diese Wärmeenergie kann bisher nur in unzureichender Weise in mechanische Arbeit umgesetzt werden.

Aus der WO 88/05223 A1 ist ein elektrischer Generator bekannt, der aufgrund des Temperaturunterschiedes zwischen zwei Wärmespeichem in der Lage ist, elektrischen Strom zu erzeugen. Dabei dient eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit als ein hydraulischer Kolben und gleichzeitig als Teil eines Stromgenerators.

Obgleich eine solche Vorrichtung an sich funktionsfähig ist, ist der Wirkungsgrad, insbesondere der elektrischen Umsetzung, bescheiden. Weiters ist die elektrisch leitfähige Flüssigkeit als Natrium- und Kaliumverbindung kritisch zu handhaben und schwer zu entsorgen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und die obige Vorrichtung so weiterzubilden, daß höhere Wirkungsgrade bei einfacherem Aufbau erreicht werden.

ErfindungsgemäB wird dies dadurch erreicht, daß Steuerventile zur wahlweisen Verbindung der Gasbehälter mit den Arbeitszylindem und eine Pumpeinrichtung zur Veränderung der Menge der Arbeitsflüssigkeit in den Arbeitszylindern vorgesehen sind.

Mit Hilfe dieser Vorrichtung kann aus dem Temperaturunterschied zwischen dem heißen Ende des Heizmediums bzw. des Speichers und dem kalten Teil des Heizmediums bzw. des Speichers oder der Umgebungstemperatur elektrische Energie gewonnen werden. Dabei wird nur jene Energie dem vorhandenen Medium entzogen, welche für die Wärmekraftmaschine gebraucht wird. Die Restwärme des heißen Behälters und die Restwärme des kalten Behälters kann für weitere Heizzwecke bzw. als vorgewärmtes Heizmedium wieder für die Aufbereitung verwendet werden. In der Wärmekraftmaschine wird ein Arbeitsgas als Folge isothermer Zustandsänderungen verdichtet und in einem zweiten Behälter entspannt. Der beste Wirkungsgrad wird erfindungsgemäß bei einem solchen Prozeß dann erreicht, wenn der Kreisprozeß über isochore Zustandsänderungen, d. h. ohne Arbeitsaufwand, geschlossen wird. Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine versucht eine Annäherung an einen solchen idealen Wärmekraftprozeß zu erreichen.

Eine Vereinfachung der Steuerung ergibt sich dann, wenn die daß die Steuerventile miteinander gekoppelt sind, um bei Verbindung eines Gasbehälters mit einem Arbeitszylinder den anderen Gasbehälter mit dem anderen Arbeitszylinder zu verbinden. Auf diese Weise ist nur ein einzelner Steuerimpuls für die Umschaltung der beiden Ventile erforderlich, was den entsprechenden Steuerungsaufwand verringert.

Besonders günstig ist es, wenn die Pumpeinrichtung aus einer Pumpe besteht, die Arbeitsflüssigkeit aus einem Zwischenspeicher in die Arbeitszylinder pumpt, bzw. aus den Arbeitszylindern in den Zwischenspeicher pumpt. Da auf diese Weise mit einer einzigen Pumpe das Auslangen gefunden werden kann, wird der apparative Aufbau der Vorrichtung besonders einfach. Eine kostengünstige Fertigung ist dadurch möglich.

Weiters betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren, das die Pumpeinrichtung von einer Steuerungseinrichtung gesteuert wird, die über Sensoren Signale über den Druck und/oder die Temperatur in den Gasbehältern empfängt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß über eine Pumpeinrichtung Arbeitsflüssigkeit aus den Arbeitszylindem entnommen wird, bzw. den Arbeitszylindem zugeführt wird, um die Gasmenge in den beiden Gasbehältern konstant zu halten. Durch diese Art der Steuerung kann der optimale Wirkungsgrad des Verfahrens sichergestellt werden.

In der Folge wird die Erfindung anhand des in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles naher erläutert.

In einem hermetisch dichten Gasbehälter WT1 wird durch eine großflächigen Wärmetauscher ein unter hohen Druck stehendes Arbeitsgas mit der heißen Temperatur eines Heizmediums erwärmt. Nach der allgemeinen Gasgleichung p.V = nRT würde das Gas isotherm expandieren. Da aber das Volumen gleich bleibt, wird ein Druckanstieg des Arbeitsgases im Behälter WT1 erreicht.

Im zweiten hermetisch dichten Gasbehälter WT2, mit der gleichen Gasmenge, wie WT1, wird das Arbeitsgas auf Umgebungstemperatur einmal durch den durch die Gasgleichung gegebenen Energieverlust 2

Claims

AT 404 626 B beim Ausdehnen des Arbeitsgases und zusätzlich kann mittels eines Wärmetauschers die Restwärme des Arbeitsgases dem kalten Teil des Heizmediums oder Wärmespeichers zugeführt werden. Zwischen den Behältern WT1 und WT2 herrscht nach der Gasgleichung ein je nach Temperaturunterschied mehr oder wenig großer Druckunterschied. Mit Hilfe der Ventile V1 und V2 werden die Behälter WT1 und WT2 synchron an jeweils einem Ende des U-förmigen Arbeitszylinders verbunden. Der Gasdruck von WT1 veranlaßt die Arbeitsflüssigkeit Fl und damit den im unteren Teil des Arbeitszylinders eingepaßten Magnetkolben eine lineare Bewegung. Die Hohlräume zwischen der Arbeitsflüssigkeit der beiden Seiten und den Ventilen V1 und V2 müssen nach der Gasgleichung im gleichen Verhältnis, wie die Druckunterschiede der beiden Behälter WT1 und WT2, sein. Nach erfolgter linearer Bewegung des Kolbens K1 werden durch die Regelelektronik E1 die Ventile V1 und V2 umgeschaltet und der Druckausgleich erfolgt in der Gegenrichtung. Das Verhältnis für den Gasfreiraum wird durch die Arbeitsflüssigkeit so eingestellt, daß dieses den Druckverhältnissen des Arbeitsgases der beiden Behälter gleichgestellt ist. Damit wird gewährleistet, daß sich in jedem der beiden Gasbehälter in etwa eine gleiche Anzahl von Gasmolekülen befindet. Die Regelelektronik mit den Sensoren S1 und S4 errechnet permanent den SOLL-Wert der beiden Behälter und vergleicht diese mit den IST-Werten., Bei einer Abweichung wird das Raumverhältnis mit Hilfe der Arbeitsflüssigkeit F1 und der Arbeitsflüssigkeitspumpe P1 auf beiden Seiten des Arbeitszylinders in einem stetigen Regelkreis eingestellt. Mit Hilfe des Magnetkolbens K1 und der Spule L1 wird wie in einem linearen Synchrongenerator eine Spannung erzeugt. Diese Spannung wird mittels der Elektronik E2 wie in einem Schalmetzgerät auf eine konstante Spannung gebracht. Je nach Verwendungszweck kann diese Spannung weiterverarbeitet werden und somit als netzsynchrone Spannung 230 V 50 Hz zur Verfügung stehen. Patentansprüche 1. Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Niedertemperaturwärme, bestehend aus: zwei im wesentlichen senkrecht angeordneten Arbeitszyiindern, die teilweise mit einer Arbeitsflüssigkeit gefüllt sind; einem Gasbehälter, der dazu bestimmt ist, auf einer höheren Temperatur gehalten zu werden; einem Gasbehälter der dazu bestimmt ist, auf einer tieferen Temperatur gehalten zu werden; einer Verbindungsleitung zwischen den Arbeitszylindern zum Überströmen der Arbeitsflüssigkeit zwischen den Arbeitszylindern; einem Kolben, der in der Verbindungsleitung angeordnet ist, um mechanische Arbeit aus der Bewegung der Arbeitsflüssigkeit zu gewinnen, wobei der Kolben vorzugsweise mit einem Lineargenerator zusammenwirkt, um aus der Bewegung elektrische Energie zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß Steuerventile zur wahlweisen Verbindung der Gasbehälter (WT1, WT2) mit den Arbeitszyiindern (Z1, Z2) und eine Pumpeinrichtung zur Veränderung der Menge der Arbeitsflüssigkeit in den Arbeitszyiindern (Z1, Z2) vorgesehen sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Steuerventile (V1, V2) miteinander gekoppelt sind, um bei Verbindung eines Gasbehälters (WT1) mit einem Arbeitszylinder (Z1, Z2) den anderen Gasbehälter (WT2) mit dem anderen Arbeitszylinder (Z2, ZI) zu verbinden.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die Pumpeinrichtung aus einer Pumpe besteht, die Arbeitsflüssigkeit aus einem Zwischenspeicher (B1) in die Arbeitszylinder (ZI, Z2) pumpt, bzw. aus den Arbeitszyiindern (Z1, Z2) in den Zwischenspeicher (B1) pumpt.
4. Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Niedertemperaturwärme, bei dem ein Gasbehälter, der heißes Gas enthält, abwechselnd hydraulisch mit einem von zwei Arbeitszyiindern verbunden wird, während ein Gasbehälter, der kaltes Gas enthält, mit dem anderen der beiden Arbeitszylinder hydraulisch verbunden wird, um eine Arbeitsflüssigkeit zwischen den beiden Arbeitszyiindern hin- und herzudrücken, dadurch gekennzeichnet, daß über eine Pumpeinrichtung Arbeitsflüssigkeit aus den Arbeitszyiindern entnommen wird, bzw. den Arbeitszyiindern zugeführt wird, um die Gasmenge in den beiden Gasbehältern konstant zu halten. Hiezu 1 Blatt Zeichnungen 3