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Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine mit einem in einem geschlossenen Kreislauf eines Kältemittels ablaufenden Kreisprozess, wobei im geschlossenen Kreislauf ein Erhitzer, ein Kühler und eine vom Kältemittel angetriebene Einrichtung zur Umsetzung der Energie des Kältemittels in mechanische Energie angeordnet sind, wobei als Einrichtung zur Umsetzung der Energie des Kältemittels in mechanische Energie eine durch einen kontinuierlich ablaufenden Kreisprozess kontinuierlich angetriebene Rotationskolbenmaschine vorgesehen ist.
Eine derartige Wärmekraftmaschine ist beispielsweise aus der Schrift DE-PS 963 202 bekannt.
Bei dieser läuft der Kreisprozess des Kältemittels getaktet ab und die Einrichtung zur Umsetzung der Energie des Wärmemittels in mechanische Energie wird durch eine oder mehrere Hubkolbenmaschinen gebildet. Weitere Ausführungsformen derartiger Wärmekraftmaschinen sind als Stirlingmotoren bekannt geworden.
DE 534 757 C beschreibt eine mehrstufige Heissluftmaschine mit einem, mit mehreren Temperaturzonen versehenen Gegenstromerhitzer in der das Gas gasförmig von der kalten Seite zum Gegenstromerhitzer geführt wird.
Aufgabe der gegenständlichen Erfindung ist es, eine neuartige Wärmekraftmaschine der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche sich durch einen einfachen Aufbau und einen guten Wirkungsgrad auszeichnet. Erfindungsgemäss gelingt dies bei einer Wärmekraftmaschine der eingangs genannten Art dadurch, dass die Rotationskolbenmaschine eine Schraubenmaschine nach der Art eines Schraubenkompressors ist.
Die gegenständlichen Wärmekraftmaschine kann hierbei so ausgeführt sein, dass zur Rückführung des Kältemittels vom Kühler zum Erhitzer eine Rückführpumpe bzw. ein Rückführverdichter vorgesehen ist mit Hilfe derer das vorzugsweise verflüssigte Medium mit möglichst geringem Energieeinsatz vom Kühler zum Erhitzer gepumpt werden kann.
Zusätzlich kann die Wärmekraftmaschine so ausgeführt sein, dass zur Rückführung des Kältemittels vom Kühler zum Erhitzer ein Kapillarkörper vorgesehen ist, dessen dem Erhitzer zugewandter Endbereich geheizt ist, wodurch der Energieaufwand zur Rückführung des Kältemittels zusätzlich reduziert werden kann.
Die Wärmetauscher der Wärmekraftmaschine sind zur Änderung des Aggregatzustandes des Kältemittels vorzugsweise so ausgeführt, dass der Erhitzer als Verdampfer und der Kühler als Kondensator ausgebildet sind.
Um das Zurückströmen des Kältemittels zwischen der Rotationskolbenmaschine und dem Kühler zu erschweren kann zusätzlich eine halbdurchlässige Membran angeordnet sein.
Um die Energieverluste durch zusätzliche Pumpen im System zu reduzieren und in der Folge den Gesamtwirkungsgrad zu Steigern, sowie die Gesamtkosten der Wärmekraftmaschine zu senken, kann die Rückführpumpe bzw. der Rückführverdichter mit der Rotationskolbenmaschine mechanisch gekoppelt sein.
Der Kühler und/oder der Erhitzer können zweistufig ausgebildet sein, wobei die zweite Stufe des Kühlers und/oder die erste Stufe des Erhitzers als mit der Eingangs- und/oder Ausgangsseite einer Wärmepumpe verbundene Wärmetauscher ausgebildet sein können, zudem kann die Wärmekraftmaschine so ausgeführt sein, dass der Kühler und der Erhitzer als mit der Eingangs- und Ausgangsseite einer Wärmepumpe verbundene Wärmetauscher ausgebildet sind, wodurch eine hohe Effizienz erreicht wird und eine kompakte Bauweise der Wärmekraftmaschine ermöglicht wird.
Die verschieden angeordneten Wärmetauscher sollen hierbei einen möglichst effizienten Wärmetransport und eine Verflüssigung des Kältemittels zur energiesparenden Rückführung des Kältemittels im Kreislauf der Wärmekraftmaschine ermöglichen.
Durch die angeschlossene Wärmepumpe soll die ansonsten bei herkömmlichen Wärmkraftmaschinen, zur Verflüssigung von meist Wasserdampf, abzuführende Energie zumindest teilweise dem System wieder rückgeführt werden können.
Zudem können durch die eingesetzten Kältemittel im Wärmepumpen sowie Wärmekraftmaschinen-Kreislauf andere Temperaturniveaus genutzt werden, als dies zum Beispiel bei herkömmlichen mit Wasserdampf betriebenen Kraftwerken der Fall ist.
Um den Energieeinsatz möglichst gering zu halten kann bei der gegenständlichen Wärmekraftmaschine der Antriebsmotor der Wärmepumpe mit der Rotationskolbenmaschine mechanisch gekoppelt sein.
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Zur Unterstützung der Änderung des Aggregatzustandes des Kältemittels bzw. Kältemittelgemisches kann die Wärmekraftmaschine so ausgebildet sein, dass im als Kondensator ausgebildeten Kühler ein Katalysator vorgesehen ist.
Gegenüber bekannten Wärmekraftmaschinen zeichnet sich die erfindungsgemässe Wärmekraftmaschine besonders durch die einfache Bauweise mit geringen Herstellungskosten, einen geringen Wartungsaufwand und einen hohen Wirkungsgrad bei sehr langen Laufzeiten aus.
Durch diese Technik sollte es möglich sein, auch sehr niedrige Temperaturen und Temperaturdifferenzen zur Umwandlung von thermischer in mechanische Energie einzusetzen, wodurch auch Energieträger wie : Energie, Industrieabwärme, Solarenergie usw. zur Erzeugung von mechanischer bzw. elektrischer Energie effizient eingesetzt werden können sollten.
Durch die äussere Verbrennung von vorzugsweise alternativen Energieträgern kann zudem der Schadstoffausstoss gegenüber herkömmlichen Verbrennungskraftmaschinen deutlich reduziert werden.
Auch kann diese Wärmekraftmaschine als Ergänzung zu herkömmlichen Kraftwerken zur Wirkungsgradsteigerung oder als Ersatz für diese Verwendung finden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. In dieser zeigen die Figuren 1 bis 8 schematische Darstellungen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung.
Bei dem in Fig. 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Kältemittel in einem geschlossenen Kreislauf geführt. In einem Erhitzer 1 wird dem Kältemittel Wärme zugeführt, so dass dieses expandiert und die Rotationskolbenmaschine 2 in Form eines Schraubenkompressors bzw. Schraubenverdichters antreibt. Solche Schraubenkompressoren weisen zwei oder mehrere rotierende Spindeln mit schraubenförmig verwundenen, meist ungleichen Profilen auf und sind in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt geworden. Die Spindeln 8,9 des Schraubenkompressors 2 sind meist über Koppelzahnräder 6,7 miteinander verbunden. Mit einer der Spindeln 9 ist eine Welle 10 verbunden, welche einen Generator 3 antreibt.
Das von der Rotationskolbenmaschine 2 abfliessende Kältemittel gelangt in der Folge in einen Kühler 4, in welchem ihm unter Volumsverminderung Wärme entzogen wird. Das abgekühlte Kältemittel gelangt in der Folge über eine Leitung 11 in eine Rückführpumpe 5, von der es durch die Leitung 12 wiederum dem Erhitzer zugeführt wird.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind der Erhitzer 1 als Verdampfer und der Kühler 4 als Kondensator ausgeführt, d. h. das Kältemittel wechselt im Erhitzer und im Kühler seinen Aggregatzustand zwischen flüssig und gasförmig bzw. gasförmig und flüssig.
Grundsätzlich denkbar und möglich wäre auch ein Wechsel des Aggregatzustandes zwischen fest und gasförmig.
Das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel der Erfindung entspricht dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 mit dem Unterschied, dass die Rückführpumpe 5 mit der Rotationskolbenmaschine 2 mechanisch gekoppelt ist. Konkret ist die Rückführpumpe ebenfalls als Schraubenkompressor bzw. Schraubenpumpe ausgebildet und die Spindeln 13,14 der Rückführpumpe 5 stehen mit den Spindeln 8,9 der als Schraubenkompressor ausgebildeten Rotationskolbenmaschine 2 über Wellen 15,16 in Verbindung.
Das in Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel entspricht wieder dem in Fig. 1 gezeigten mit dem Unterschied, dass zwischen der Rotationskolbenmaschine 2 und dem Kühler 4 eine halbdurchlässige Membran 17 angeordnet ist, welche einen Durchtritt des aus der Rotationskolbenmaschine 2 austretenden Kältemittels in den Kühler 4 zulässt, ein Zurückströmen des Kältemittels vom Kühler 4 in die Rotationskolbenmaschine 2 aber verhindert. Der Wirkungsgrad des Systems wird dadurch erhöht.
Das in Fig. 4 gezeigte Ausführungsbeispiel der Erfindung entspricht wiederum dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, wobei der Kühler und der Erhitzer jeweils zweistufig ausgebildet sind.
In der ersten Stufe 18 des Kühlers 4 wird das Kältemittel beispielsweise bis auf die Umgebungstemperatur oder die Temperatur des den Wärmetauscher durchfliessenden Kühlwassers abgekühlt. Die zweite Stufe 19 des Kühlers 4 wird vom Wärmetauscher einer Wärmepumpe 22 gebildet. In diesem wird dem Kältemittel weiter Wärme entzogen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kondensiert das Kältemittel dabei in der zweiten Stufe 19 des Kühlers 4.
Die erste Stufe 20 des Erhitzers ist als ausgangsseitiger Wärmetauscher der Wärmepumpe 22
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ausgebildet und dem Kältemittel wird hier erstmalig Wärme zugeführt. Eine weitere Wärme- zufuhr erfolgt in der zweiten Stufe 21 des Erhitzers, wobei in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung das Kältemittel in der zweiten Stufe 21 des Erhitzers verdampft wird.
Das in Fig. 5 gezeigte Ausführungsbeispiel entspricht dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4, wobei der Kühler 4 hier nur einstufig ausgebildet ist und vom eingangseitigen Wärmetauscher der Wärmepumpe 22 gebildet wird.
Bei dem in Fig. 6 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist anschlie- #end an den Kühler 4 ein Kapillarkörper 23 angeordnet. Der dem Erhitzer 1 zugewandte Endbereich 24 dieses Kapillarkörpers 23 ist beheizt. Der Kapillarkörper 23 mit dem beheizten Endbereich 24 dient zur Unterstützung der Rückführung des Kältemittels zum Erhitzer. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 wird die Rückführung des Kältemittels ausschliesslich durch diesen Kapillarkörper 23 mit einem beheizten Endbereich 24 bewirkt. Eine Rückführpumpe kann somit entfallen und auch ein zusätzlicher Erhitzer entfällt, da eine ausreichende Erhitzung des Kältemittels bereits durch den beheizten Endbereich 24 des Kapillarkörpers 23 erreicht wird.
In Fig. 8 ist weiters ein Fig. 1 entsprechendes Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem im als Kondensator ausgebildeten Kühler 4 ein Katalysator 25 zur Unterstützung der Änderung des Aggregatzustandes des Kältemittels vorgesehen ist.
Wenn der Erhitzer 1 als Verdampfer ausgebildet ist, ist es vorteilhaft, wenn der Ausgang des Wärmetauschers des Erhitzers von einem Leitrohr 26 gebildet wird. Dieses erstreckt sich von einer Öffnung im Boden des Erhitzers so weit nach oben, dass sein freies Ende jedenfalls über dem im Erhitzer vorliegenden Flüssigkeitsspiegel des Kältemittels liegt und dadurch nur verdampftes Kältemittel aus dem Erhitzer 1 in die Rotationskolbenmaschine 2 ausströmen kann.
Die Rotationskolbenmaschine 2 kann weiters als Schiebermotor ausgebildet sein, dessen Aufbau analog dem einer Schieberpumpe ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Wärmekraftmaschine mit einem in einem geschlossenen Kreislauf eines Kältemittels ab- laufenden Kreisprozess, wobei im geschlossenen Kreislauf ein Erhitzer, ein Kühler und eine vom Kältemittel angetriebene Einrichtung zur Umsetzung der Energie des Kältemittels in mechanische Energie angeordnet sind, wobei das als Einrichtung zur Umsetzung der
Energie des Kältemittels in mechanische Energie eine durch einen kontinuierlich ablaufen- den Kreisprozess kontinuierlich angetriebene Rotationskolbenmaschine vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationskolbenmaschine eine Schraubenmaschine nach der Art eines Schraubenkompressors ist.