AT410826B - Heissluftmotor - Google Patents

Description

AT 410 826 B

Fachgebiet

Die Erfindung gehört in das Fachgebiet der Kolben-Heißgasmotoren mit offenem oder geschlossenen Kreislauf, die einen Verbrennungsvorgang, der außerhalb des des Arbeitsraumes stattfindet, in der Weise nutzen, daß ein im Motor komprimiertes Arbeitsgas, das ist primär aus Luft aber auch anderen Gasen bestehen kann, annähernd isobar über einen Wärmetauscher von Rauchgas oder auch durch ein anderes flüssiges oder gasförmiges Medium höherer Temperatur als es der Kompressions-Endtemperatur Arbeitsgases entspricht, aufgeheizt wird. Die Aufheizung des Arbeitsgases kann auch durch Strahlungsheizung mittels Solarkollektoren erfolgen.

Stand der Technik und technische Aufgabe der Erfindung

Die Erfindung beinhaltet gemäß Fig. 1 einen Idealprozeß, der mit isentropen Kompressionen und isentropen Expansionen mit isobarer Wärmezufuhr und isobarer Abkühlung mindestens so nahe an die mit Verlusten für Strömung unerwünschtem Wärmeabgang und Reibung behaftete Wirklichkeit herankommt, wie dies bei den bekannten Idealprozessen für Diesel- und Ottomotoren der Fall ist. Im Gegensatz dazu ist der sogenannte ideale Stirling Prozeß ebenso weit von der Realität entfernt, wie sein zeitgenössisches historisches Vorbild, der Carnot-Prozeß, beinhaltet er doch ebenso wie der Carnot-Prozeß die Unmöglichkeit einer isothermen Kompression und einer isothermen Expansion und gleichzeitiger Wärmezufuhr. Dies wird bei Stirling-Konstruktionen durch einen entsprechend besonders schlechten Gütegrad η0 annähernd berücksichtigt. Kaum zu erfüllen ist beim Stirling-Prozeß jedoch die Bedingung eines raschen Wärmetausches durch Wärmetauscherwände hindurch im Rhythmus des Motorzyklus innerhalb von zehntausendstel Sekunden bei einem rasch laufenden Motor. Auch Stirling-Motoren mit internen Regeneratoren versagen bei hohen Drehzahlen durch Trägheit der Wärmeleitung. Der Stirlingmotor ist daher für hohe Drehzahlen nicht geeignet. Beim erfindungsgemäßen Motor hingegen ergeben sich für ein Luftteilchen unabhängig von der Schnelligkeit des Motorzyklus lange Verweilzeiten im Wärmetauscher und dadurch bessere Angleichung (Ausnützung) der Temperatur des wärmeabgebenden Mediums. Im Gegensatz zum Stirling Konzept sind beim erfindungsgemäßen Motor hohe Drehzahlen mühelos möglich. Die Idee, einen Hubkolbenkompressor zu verwenden, das verdichtete Arbeitsgas herauszuführen, anschließend in einem annähernd isobar agierenden Wärmetauscher zu erwärmen und dann wieder einem Hubkolben-Expander zuzuführen, dessen Arbeitsvolumen größer ist und zwar im Verhältnis der Vergrößerung des spezifischen Volumens nach Wärmetauscheraustritt zu jenem vor dem Wärmetauschereintritt, scheint in der Patentliteratur öfter auf:

In der US 4,120 161 A (Gedeit), in der DE 42 37 826 A1 (Roth), in der DE 3927 853 (Feiler), und in der DE 22 04 763 (Beer).

Die gleiche Idee wurde auch auf Drehkolbenaggregate übertragen, wie zum Beispiel in der DE 43 42 950 A1 (Kanis) und auf Kreiskolbenaggreagate vom Typ 3:2-Wankel wie zum Beispiel in der US 5,410,998 (Paul et al.).

Dabei fehlt den Drehkolbenaggregaten der entscheidende Wirkungsgradvorteil der stetigen inneren Verdichtung, (DE 43 42 950 A1, Kanis) den zum Beispiel alle Kreiskolbenmaschinen vom Typ Wankel aufweisen. Der Wankelreihe mit den Polkreisverhältnissen n/(n-1) mit n als ganzer Zahl und n>2 also 3:2, 4:3, 5:4 usw. fehlt wiederum die günstige Eignung zur bloßen Verdichtung in einer Einheit und zur bloßen Expansion in einem anderen Aggregat aus kinematischen Gründen und ferner wegen des relativ großen schädlichen Raumes beim Verdichten, auch wenn man die bei Wankelmotoren bekannte Brennraummulde wegläßt (US 5,410,998, Paul et al.).

Beschreibung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Maschine besteht aus getrennten Kreiskolbenrotoren für Kompression und Expansion und zwar vom Kreiskolbentyp nach Oldham-Franchot mit Polkreisverhältnis 2:1, eine Maschine, die schon vor Wankel erfunden wurde, obwohl sie dem System nach der unterste Ausläufer der Wankelreihe mit Polkreisverhältnissen n/(n-1) für n=2 sein könnte. Die Figuren 2 und 3 zeigen eine derartige Maschine mit Polkreisverhältnis von abrollendem Polkreis zu feststehendem Polkreis von 2:1 nach System Oldham und Franchot. Fig. 2 zeigt eine Konfiguration für das 2

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Verhältnis Dichtleistenradius R zu Exzenterradius e von R/e=5, woraus sich auf Grund bekannter kinematischer Gesetzmäßigkeiten ein theoretisches Verdichtungsverhältnis von ε1 = 75 ergibt, das ein üblicher 3:2-Wankel, wie in der US 5,410,998 gezeigt wird, selbst bei einem Verhältnis von R/e=7 mit dazugehörigem ε1 = 18 nie erreichen könnte und zwar wegen des großen schädlichen Raumes im Vergleich zur 2:1-Maschine nach Oldham Franchot.

Wie man aus der Fig. 21 der US 5,410,998 erkennt, ist Wankel vom Typ 3:2, 4:3 usw. für Kompression und Expansion in getrennten Aggeraten schlecht geeignet, wie die umständlichen Umgehungskanäle Merkmal 223 in den Figuren 20 und auf der Titelseite der US 5,410,998 (Paul et al.) beweisen, die einen 3:2-eigentümlichen für diesen Zweck sinnlosen zweimaligen Volumswechsel überbrücken sollen.

Daher wird bei der erfindungsgemäßen Konstruktion für getrennte Kompression und getrennte Expansion in getrennten Arbeitsräumen mit dazwischen liegendem Wärmetauscher mit isobarer Wärmezufuhr die 2:1-Konfiguration von Oldham-Franchot verwendet, eine Maschine die wegen des geringen schädlichen Raumes als Kompressor oder Expander besonders gut als Heißluftmotor geeignet ist.

Erfindungsgemäß sind die Querschnitte beider Rotoren (sichtbar in den Achsnormalschnitten nach Fig. 2) gleich. Es verhaltet sich die Breite bE des Expansionskolbens E' zur Breite bC des Rotors für Kompression C' auch maximal so wie das Temperaturverhältnis T5/T2.

Zur Thermodynamik des erfindungsgemäßen Motors, um seine Eignung für niedriges Temperatur- und Druckniveau mit trotzdem akzeptablen Wirkungsgraden aufzuzeigen: Würde man das für ein endliches Volumen V(m3) anstelle des spezifischen Volumens v(m3/kg) gezeichnete p,V-Diagramm der Fig. 1 in das spezifische T,s-Diagramm übertragen, so ergäbe sich optisch scheinbar der bekannte Joule-Idealprozeß für Gasturbinen, jedoch mit dem Unterschied, daß die Isentropen mit anderen Massenanteilen auch verkehrt durchströmt werden, weshalb die mehr Klarheit aufzeigende p,V-Darstellung gewählt wurde.

Nach dem aus Isentropen und Isobaren bestehenden erfindungsgemäßen Kreislaufkonzept im p,V-Diagramm nach Fig. 1, wo der Kreislauf des Expanders und der des Kompressors ineinander gezeichnet sind, ergeben sich nachstehende Überlegungen für die spezifische Leistung Pspezif. (W/(kg/s) = J/kg) und für den theoretischen Wirkungsgrad ntheor. mit folgenden idealisierenden Vereinfachungen: 1 Auf Grund des niedrigen Temperatur- und Druckniveaus sind die thermodynamischen Stoffwerte kappa, cp und cv annähernd konstant. 2 Der Wärmetauscher arbeitet isobar, Kompression und Expansion erfolgen isentrop. 3 Die Vermischung des Arbeitsmasseflusses mit restverdichteter Luft und restexpandierter Luft wird nicht berücksichtigt.

Gegeben sind folgende Kreisprozeßparameter: T1 = Temperatur der Luft der Umgebung vor der Kompression mit Druck p·,, T5 = Temperatur der Luft im Eintritt in den Expander, nach Erwärmung im Wärmetauscher.

Vi Vmax ε1 = — = ——- maximal mögliches kinematisches Verdichtungsverhältnis v3 vmin. ε1 berücksichtigt den notwendigen sogenannten „schädlichen Raum“, der notwendig ist, damit der Hubkolben nicht in die Ventile stößt. Bei Kreiskolbenmaschinen erfolgt die Verdichtung von Vmax. = V1 auf minimales Kammervolumen vmin. = V3 gemäß Fig. 2 und Fig. 1, ohne daß etwa der Wankel-Kolben eine Brennraummulde aufweist, die ja bei dieser Anwendung ohne innerer Verbrennung nicht notwendig ist, h ε2 = y2 ist das für den Kompressor-Enddruck P2 verantwortliche Verdichtungsverhältnis. Es muß ε2 < ε! sein, damit nach der Kompression eine isobare Ausschiebe-Arbeit aus dem Kompressor möglich ist. Das heißt, ab der Verdichtung von V1 auf V2 öffnet das Auslaßorgan, so daß bei 3

AT 410 826 B weiterer Volumsverringerung auf V3 nicht mehr weiter verdichtet wird sondern bei annähernd konstant bleibendem Druck p2 ausgeschoben wird. Wegen der Affinität der Isentropen-Hyperbeln

Vft VR in Fig. 1 ausgedrückt durch die Wiederholung von ε1 = — und ε2 = — erkennt man die horizonta- v8 v5 le Affinität der vier beteiligten technischen Arbeitsflächen und ferner mit der Erkenntnis, daß unter diesen idealiserten Bedingungen das Masseverhältnis von rückexpandieremdem Restgas zu angesaugter Luft wie ε2 / ε1 ist, kann mit den elementaren Isentropen-Beziehungen v2=— P2 = Pi *ε2 Τ2=τι*εΓ1 ε2

die gesuchten Beziehungen für ntheor. und P spezif. (W/(kg, s) = J/kg) hergeleitet werden:

Die Darstellung der Funktionen dieser beiden Gleichungen in Abhängigkeit vom wichtigsten zu variierenden Parameter ε2 zeigt Fig. 1A, wobei ε-ι = 61 = konst. und das Temperaturverhältnis

Js Ti = 3 = konst. gehalten wurde.

Aus dem Diagramm Fig. 1A ersieht man die maximale spezifische Leistung Pspezif. bei ε2 = 3,75 erkennt den dazugehörigen ntheor = 0,37.

Beschreibung der Figuren:

Fig. 1 zeigt das p,V-ldealdiagramm mit endlichem Volumen V(mA3). Darin bedeuten 1 2 3 4 6 7 8 WExp W Compr.

Zustand 1 der Luft am Beginn der Verdichtung im Kompressor Zustand der Luft am Ende der Kompression und am Beginn des Ausschiebens aus dem Kompressor zum Wärmetauscher.

Ende des Ausschiebens aus dem Kompressor, Zustand wie in 2 Rückexpansions-Endpunkt im Kompressor wegen des „schädlichen Raumes“ ausgedrückt durch das Volumsverhältnis ε1 =V1A/2 Bei 4 beginnt auch das Ansaugen bis 1.

Zustand der Luft nach der isobaren Erwärmung im Wärmetauscher und nach isobarem Einströmen in den Expander,

Theor. Endpunkt der Entspannung im Expander von 5 auf 6 Endpunkt des Ausschiebens im Expander, Beginn der Restverdichtung Endpunkt der Restverdichtung 7-8 Arbeit eines Zyklus im Expander Arbeit eines Zyklus im Kompressor

Mit den Definitionen nach Fig. 1 wurde die in der Beschreibung angegebenen Formeln für P spezif. und für η theor. für die Fig. 1A hergeleitet.

Fig. 1a zeigt das Beurteilungsdiagramm für spezifische Leistung P spezif. und theoretischen Wirkungsgrad i]theor. ε2 = Verhältnis V1A/2, das für die Druckerhöhung verantwortliche wirkliche

Verdichtungsverhältnis bedeutet. 4

Claims (5)

1. AT 410 826 B ε1 = Verhältnis V1/V3, das kinematisch bedingte höchstmögliche Verdich tungsverhältnis darstellt. T5/T1 Verhältnis der Temperatur nach dem Durchströmen des Wärmetauschers - das ist die Höchstemperatur im Kreisprozeß zur Temperatur der Umgebung, das ist die niederste Temperatur im Kreisprozeß. Fig.
2. 2 zeigt die Definitionen für ε1 und ε2 bei der 2:1-Kreiskolbenmaschine: Vmax. Maximales Kammervolumen Vmin Minimales Kammervolumen = schädlicher Raum im Idealfall Vs2 Volumen bis zu welchem verdichtet wird, bevor das Ausschieben von Vs2 auf Vmin erfolgt wobei bei realen Konstruktionen der schädliche Raum > Vmin sein wird und zusätzlich einen Teil des Volumens des Abflußkanals umfassen wird. Es ist dann bei der2:1-KKM: ε2 =

   ει = Vmax. Vmin. Fig.
3. 3 zeigt vereinfacht das Schema der Regelung und das der Einordnung eines erfindungsgemäßen Heißluftmotors in der Ausführung mit einer Rotationskolbenmaschine System Oldham-Franchot in ein Block-Heizkraftwerk. Dabei dienen der schmälere Rotor C' als Kompressor und der breitere E' als querschnittsgleicher Expander, nachdem sie durch den Filter F Luft angesaugt haben. Das Breitenverhältnis bE/bC ist dadurch das Volumsverhältnis der Gehäuse und soll maximal dem Verhältnis der spezifischen Volumina nach und vor dem annähernd isobar tätigen Wärmetauscher sein, das heißt, dem Verhältnis der Temperaturen nach (Index 5) und vor (Index 2) dem Wärmetauscher T5/T2 entsprechen das etwa in der Größenordnung von 2/1 liegen kann. Zum Starten dient ein Luftspeicher SP mit Regelventil RV, der das Volumen der Verbindungsleitungen vom Kompressor durch den Wärmetauscher WT bis zu den Expanderzylindern auffüllt und gleichzeitig auch als Druckluftstarter dient. Im Betrieb wird der Speicher SP wieder aufgeladen. Das Rauchgas RG der Heizanlage durchströmt den Wärmetauscher WT entweder zur Gänze oder nur teilweise, abhängig von der Stellung der Bypass-Regelklappe BR im Bypass-Kanal BP. Damit kann die Leistung des Heißluftmotors unabhängig von der momentan verlangten Heizleistung des Block-Heizkraftwerkes geregelt werden. Die Anlage kann durch ein zusätzliches Kühlsystem im Niederdruckteil auch geschlossen sein und daher unter Überdruck stehen, wodurch infolge der größeren Massenstromdichte die Leistung bei gleicher Maschinengröße steigt. Fig.
4. 4 zeigt die erfindungsgemäße Idee am Beispiel einer 2-Rotoren-Kreiskolbenmaschine mit Polkreisverhältnis 2:1, wobei die Breite bE des Expander-Rotors E' maximal im Verhältnis T5/2 größer ist als die Breite bC des Kompressor-Rotors C', während die beiden Rotor-Querschnitte gleich sind. PATENTANSPRUCH: Motor ohne innere Verbrennung mit offenem oder geschlossenen Kreisprozeß (nach Fig. 1) für Luft und andere Gase als Arbeitsmedium mit Wärmezufuhr in das Arbeitsmedium mittels annähernd isobar arbeitendem Wärmetauscher außerhalb des Motors und mit im Falle von Kreiskolbenmaschinen in getrennten Rotoren mit unterschiedlich großen Arbeitsvolumina stetig verlaufender Kompression und Expansion, dadurch gekennzeichnet, daß die angewandten Kreiskolbenmaschinen vom Typ Oldham-Franchot sind (Fig. 2 und
5. 5 AT 410 826 B Fig. 3) und daß in Verbindung mit annähernd isobarer Wärmezufuhr mittels Wärmetauscher bei gleichen Querschnitten für Kolben und Trochoidenform der Gehäuse, die Breite (bE) des Expanderkolbens (E') im Verhältnis zur Breite (bC) des Kompressorkolbens (C') im Verhältnis der Absoluttemperatur im Punkt (5) zur Absoluttemperatur im Punkt (2) steht, mit einer möglichen Abweichung von 50% nach unten von diesem genannten Verhältnis, jedoch dieses Verhältnis den Wert 8 nicht überschreitet. HIEZU 4 BLATT ZEICHNUNGEN 6